Le contrôle est un défi constant pour les scientifiques des matériaux, qui recherchent toujours le matériau parfait - et la manière parfaite de le traiter - pour induire exactement la bonne activité électronique ou optique requise pour une application donnée.

L'un des principaux défis de la modulation de l'activité dans un semi-conducteur est le contrôle de sa bande interdite. Lorsqu'un matériau est excité avec de l'énergie, dire, une impulsion lumineuse, plus sa bande interdite est large, plus la longueur d'onde de la lumière qu'il émet est courte. Plus la bande interdite est étroite, plus la longueur d'onde est longue.

Comme l'électronique et les appareils qui l'intègrent (smartphones, ordinateurs portables et autres - sont devenus de plus en plus petits, les transistors semi-conducteurs qui les alimentent se sont rétrécis au point d'être à peine plus gros qu'un atome. Ils ne peuvent pas devenir beaucoup plus petits. Pour surmonter cette limite, les chercheurs cherchent des moyens d'exploiter les caractéristiques uniques des réseaux de grappes atomiques à l'échelle nanométrique, appelés super-réseaux à points quantiques, pour construire l'électronique de la prochaine génération, comme les systèmes d'information quantique à grande échelle. Dans le domaine quantique, la précision est encore plus importante.

De nouvelles recherches menées par le département de génie électrique et informatique de l'UC Santa Barbara révèlent une avancée majeure dans les matériaux de super-réseaux de précision. Les conclusions du professeur Kaustav Banerjee, son doctorat étudiants Xuejun Xie, Jiahao Kang et Wei Cao, le boursier postdoctoral Jae Hwan Chu et ses collaborateurs de l'Université Rice apparaissent dans la revue Rapports scientifiques sur la nature .

La recherche de leur équipe utilise un faisceau d'électrons focalisé pour fabriquer un super-réseau de points quantiques à grande échelle sur lequel chaque point quantique a une taille prédéterminée spécifique positionnée à un emplacement précis sur une feuille atomiquement mince de molybdène semi-conducteur bidimensionnel (2-D). disulfure (MoS2). Lorsque le faisceau d'électrons focalisé interagit avec la monocouche de MoS2, il transforme cette zone - qui est de l'ordre d'un nanomètre de diamètre - de semi-conductrice à métallique. Les points quantiques peuvent être placés à moins de quatre nanomètres l'un de l'autre, de sorte qu'ils deviennent un cristal artificiel - essentiellement un nouveau matériau 2D où la bande interdite peut être spécifiée sur commande, de 1,8 à 1,4 électron-volt (eV).

C'est la première fois que des scientifiques créent un super-réseau 2D à grande surface (des amas atomiques à l'échelle nanométrique dans une grille ordonnée) sur un matériau atomiquement mince sur lequel la taille et l'emplacement des points quantiques sont contrôlés avec précision. Le processus crée non seulement plusieurs points quantiques, mais peut également être appliqué directement à la fabrication à grande échelle de super-réseaux de points quantiques 2D. "Nous pouvons, donc, modifier les propriétés globales du cristal 2-D, " a déclaré Banerjee.

Chaque point quantique agit comme un puits quantique, où se produit l'activité électron-trou, et tous les points de la grille sont suffisamment proches les uns des autres pour assurer les interactions. Les chercheurs peuvent faire varier l'espacement et la taille des points pour faire varier la bande interdite, qui détermine la longueur d'onde de la lumière qu'il émet.

« En utilisant cette technique, nous pouvons concevoir la bande interdite pour correspondre à l'application, ", a déclaré Banerjee. Les super-réseaux de points quantiques ont été largement étudiés pour créer des matériaux avec des bandes interdites réglables, mais tous ont été fabriqués à l'aide de méthodes "ascendantes" dans lesquelles les atomes se combinent naturellement et spontanément pour former un macro-objet. Mais ces méthodes rendent la tâche intrinsèquement difficile. pour concevoir la structure en treillis comme vous le souhaitez et, Donc, pour obtenir des performances optimales.

Par exemple, selon les conditions, la combinaison d'atomes de carbone ne donne que deux résultats sous forme de masse (ou 3-D):graphite ou diamant. Ceux-ci ne peuvent pas être « réglés » et ne peuvent donc rien faire entre les deux. Mais quand les atomes peuvent être positionnés avec précision, le matériau peut être conçu avec les caractéristiques souhaitées.

"Notre approche s'affranchit des problèmes d'aléatoire et de proximité, permettant de contrôler la bande interdite et toutes les autres caractéristiques que vous pourriez souhaiter que le matériau ait - avec un haut niveau de précision, " dit Xie. " C'est une nouvelle façon de fabriquer des matériaux, et il aura de nombreuses utilisations, en particulier dans l'informatique quantique et les applications de communication. Les points sur le super-réseau sont si proches les uns des autres que les électrons sont couplés, une exigence importante pour l'informatique quantique."

La boîte quantique est théoriquement un « atome » artificiel. La technique développée permet une telle conception et un tel "réglage" en permettant un contrôle descendant de la taille et de la position des atomes artificiels à grande échelle.

Pour démontrer le niveau de contrôle atteint, les auteurs ont produit une image de "UCSB" épelée dans une grille de points quantiques. En utilisant différentes doses du faisceau d'électrons, ils ont pu faire s'allumer différentes zones des initiales de l'université à différentes longueurs d'onde.

"Quand vous changez la dose du faisceau d'électrons, vous pouvez modifier la taille du point quantique dans la région locale, et une fois que vous faites cela, vous pouvez contrôler la bande interdite du matériau 2D, " expliqua Banerjee. " Si vous dites que vous voulez une bande interdite de 1,6 eV, Je peux te le donner. Si vous voulez 1,5 eV, Je peux le faire, trop, en commençant par le même matériau."

Cette démonstration de bande interdite directe accordable pourrait inaugurer une nouvelle génération de dispositifs électroluminescents pour les applications photoniques.