Arbre de décision pour l'ingénierie atomique. pi→k représente la probabilité d'un processus dynamique d'une configuration initiale i à la configuration finale k. Les physiciens ont supposé que les angles d'incidence des électrons θe et φe sont fixes tout au long de l'opération. L'état encadré en rouge indique l'état final souhaité. Les cercles rouges indiquent les atomes cibles de l'irradiation électronique. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aav2252
L'ingénierie atomique peut induire sélectivement une dynamique spécifique sur des atomes individuels suivie d'étapes combinées pour former des assemblages à grande échelle par la suite. Dans une nouvelle étude maintenant publiée dans Avancées scientifiques , Cong Su et un international, équipe interdisciplinaire de scientifiques dans les départements de science des matériaux, Électronique, La physique, Nanoscience et technologie optoélectronique; ont d'abord étudié la dynamique en une seule étape des dopants au graphène. Ils ont ensuite développé une théorie pour décrire les probabilités de résultats de configuration basés sur l'impulsion d'un atome d'entraînement primaire post-collision dans une configuration expérimentale. Su et al. ont montré que le rapport de branchement prédit de la transformation configurationnelle s'accordait bien avec les expériences sur un seul atome. Les résultats suggèrent un moyen de biaiser la dynamique d'un seul atome vers un résultat d'intérêt et ouvriront la voie à la conception et à la mise à l'échelle de l'ingénierie atomique à l'aide d'une irradiation électronique.
Le contrôle de la structure atomique exacte des matériaux est une forme ultime d'ingénierie atomique. La manipulation atomique et l'assemblage atome par atome peuvent créer des structures fonctionnelles synthétiquement difficiles à réaliser en positionnant exactement les dopants atomiques pour modifier les propriétés des nanotubes de carbone et du graphène. Par exemple, en informatique quantique, des dopants azote (N) ou phosphore (P) peuvent être incorporés en raison de leur spin nucléaire non nul. Pour mener à bien l'ingénierie atomique expérimentale, les scientifiques doivent (1) comprendre comment un changement de configuration local souhaitable peut être induit pour augmenter la vitesse et le taux de réussite du contrôle, et (2) étendre les processus unitaires de base en assemblages structuraux réalisables contenant 1 à 1000 atomes pour produire la fonctionnalité souhaitée.
Les chercheurs avaient déjà utilisé la microscopie à effet tunnel pour démontrer de bonnes, contrôle pas à pas d'atomes individuels pour obtenir des informations physico-chimiques et des avancées techniques. Cependant, l'évolutivité et le débit de la technique étaient sévèrement limités par les mouvements mécaniques de la sonde et les chercheurs ont donc introduit la microscopie électronique à transmission à balayage (STEM) corrigée des aberrations comme outil polyvalent pour caractériser la structure atomique précise des matériaux. Bien qu'encore aux premiers stades de développement, la technique est plus prometteuse pour contrôler les matériaux au niveau des atomes. Dans le graphène bidimensionnel (2-D), par exemple, les dopants au silicium pourraient être contrôlés pas à pas pour itérer les étapes de base qui ont permis le mouvement à longue portée avec un débit élevé. Des résultats similaires ont également été observés dans un cristal de silicium 3-D.
Avec l'ingénierie atomique basée sur STEM, les scientifiques visent à utiliser le faisceau d'électrons et à obtenir un changement de configuration souhaité. Les inconvénients de la méthode comprennent une compréhension imprécise des collisions relativistes électron-noyau, excitation et relaxation électroniques, trajectoires ioniques dynamiques et incertitudes supplémentaires.
Illustration de la dynamique expérimentale concurrente du dopant P dans le graphène et son contrôle. Les cadres sont des images annulaires à champ sombre à angle moyen, et l'identité chimique de chaque dopant a été confirmée par spectroscopie de perte d'énergie électronique (EELS). (A) Trois images montrant un échange direct entre l'atome P le plus brillant (en raison de son plus grand contraste de diffusion) et un voisin C, avec l'initiale (cadre 1), transition (image 2), et les configurations finales (cadre 3). Les lignes pointillées blanches et noires indiquent la rangée du faisceau de balayage lorsque l'échange se produit. Vitesse de numérisation, 8,4 s par image. Aucun post-traitement n'a été effectué. (B) Quatre images montrant à la fois un échange direct (images 1 et 2) et une transition SW (images 2 à 4). Barres d'échelle, 2 . Vitesse de numérisation, 0,07 s par image. Un filtre médian avec un noyau de 2 pixels × 2 pixels a été appliqué pour plus de clarté. La transition SW a été capturée lors de l'acquisition EELS dans de petites fenêtres de sous-balayage pour améliorer le rapport signal/bruit des spectres utilisés pour identifier les dopants et pour obtenir des images de taux de balayage plus rapides qui peuvent mieux capturer la dynamique atomique. (C) Atome C voisin détruit par le faisceau d'électrons, transformer un P triplement coordonné en P quadruple. Vitesse de balayage, 8 s par image. Aucun post-traitement n'a été effectué. (D) Le dopant P est remplacé par un atome de C. Vitesse de numérisation, 4 s par trame. Les différents codages de couleur des images représentent différentes catégories :le gris représente le processus de conservation des atomes et le magenta représente le processus de conservation des atomes. Les cercles pointillés bleus et rouges dans (A) et (B) représentent les sites de réseau inéquivalents du graphène, et les cercles en pointillés verts dans (C) et (D) indiquent l'emplacement de l'atome qui n'a pas été conservé. (E et F) contrôle intentionnel sur l'échange direct d'atome P. Les croix jaunes indiquent l'emplacement où le faisceau d'électrons a été stationné pendant 10 s pour déplacer délibérément l'atome P d'un site du réseau. Les cercles en pointillés verts et bleus indiquent les deux sites de réseau non équivalents du graphène. Encarts :La région d'intérêt après application d'un filtre gaussien, (G) un tracé schématique du processus de contrôle, où le faisceau d'électrons est représenté par un cône vert focalisé sur l'atome C voisin. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aav2252
Dans le travail present, Su et al. utilisé STEM pour piloter et identifier le mouvement des atomes dans les dopants phosphore (P) individuels au sein du graphène. Suivi de la construction d'un schéma théorique pour tester les probabilités relatives des dopants, par rapport à la détection d'énergie électronique et de quantité de mouvement. Ils ont classé la dynamique en quatre groupes :
Mécanismes de la dynamique du dopant P dans le graphène calculés avec abMD. (A à C) Cartes de distribution angulaire des différentes transformations possibles du réseau obtenues lorsqu'un voisin C de l'impureté P reçoit une impulsion initiale hors du plan. Les énergies cinétiques initiales correspondantes sur le carbone, E, sont (A) 15,0, (B) 16.0, et (C) 17,0 eV. Les marques dans ces tracés polaires indiquent le résultat dynamique :C knockout sous forme de triangles rouges, échange direct sous forme de carrés bleus, Transitions SW sous forme de cercles magenta, et le réseau inchangé sous forme de croix noires. A titre d'exemples, instantanés de la transition (D) SW (θ =20°, =75°, E =15,0 eV), (E) C défonçable (θ =20°, =180°, E =17,0 eV), (F) échange direct (θ =0°, E =17,0 eV), et (G) structure inchangée (θ =25°, =285°, E =15,0 eV) sont affichés. Les flèches rouges indiquent la direction de la quantité de mouvement C le long des directions dans le plan et normale au plan (longueurs non à l'échelle), avec la définition des angles de coordonnées sphériques et indiqués en (G). (H) barrière cNEB pour un mécanisme proposé de remplacement du dopant P par C. Encarts :l'initiale, point de selle, et les configurations finales. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aav2252
Les scientifiques ont utilisé un faisceau d'énergie électronique de 60 eV et ont maximisé les taux d'échange direct et de transition SW pendant la collision électron-atome. Su et al. utilisé le carbone comme atome d'entraînement primaire (PKA) dans les expériences et a maintenu une énergie de collision post-électron du PKA de l'ordre de 10 eV. Dans les expériences, ils n'ont pas dirigé le faisceau d'électrons directement sur le dopant lui-même, visant plutôt le voisin carbone du dopant.
Su et al. puis a développé un schéma théorique dans l'étude connue sous le nom de "primaire knock-on-space" (PKS) pour estimer les sections efficaces de diffusion relative de diverses dynamiques induites par les électrons. Les résultats peuvent varier en raison de l'inclinaison du faisceau d'échantillons ou d'électrons pour activer sélectivement le résultat souhaité. Les scientifiques ont fourni une vérification expérimentale supplémentaire des calculs, ouvrant de nouvelles voies pour l'ingénierie atomique avec une irradiation électronique focalisée.
Comparaison de la dynamique de différents éléments d'impuretés. (A) Comparaison des gammes d'énergie d'échange direct entre Al, Si, et P pour la collision frontale (θ =0°). (B) Expérimentalement, le knock-out d'un dopant Al et de deux atomes de carbone à proximité a été observé après 7 min de rayonnement continu à 60 keV, correspondant au seuil de déplacement bas prédit en (A). Les cercles rouges marquent les atomes déplacés dans le deuxième cadre. (C) Les barrières énergétiques (Ea) du changement de configuration des structures 55-77 vers le réseau vierge sont illustrées pour divers éléments (C, 4,6 eV ; N, 3,6 eV ; B, 2,4 eV ; P, 1,6 eV ; Si, 0,8 eV ; Al, 0,2 eV). Encart :La définition de Ea dans le profil énergétique de la transition SW, où les courbes originales peuvent être trouvées dans la fig. S4. (D) Une transition SW observée expérimentalement d'un dopant N à 60 keV. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aav2252
En pratique, les scientifiques visent à contrôler avec précision les atomes et leurs états électroniques ou nucléaires pour des applications dans les horloges atomiques et les dispositifs de mémoire atomique. La vision à long terme de l'ingénierie atomique est de positionner avec précision les atomes individuels dans les états internes souhaités pour inclure le spin nucléaire, puis imagez et contrôlez les assemblages atomiques de 1 à 1000 atomes.
Su et al. réalisé plusieurs dynamiques atomiques dans le présent travail, qu'ils ont classés en dynamique de conservation d'atomes (souhaitée) ou dynamique de non-conservation d'atomes (non souhaitée). Pour la dynamique de conservation des atomes, ils comprenaient (A) l'échange direct entre le phosphore (dopant) et le carbone. (B) Transition SW avec rotation à 90 degrés d'une liaison P-C, où la dynamique de conservation des atomes comprenait un knock-out de carbone. Alors pour la dynamique non conservatrice de l'atome, les scientifiques ont inclus (C) l'élimination de la PKA à l'aide d'un faisceau d'électrons et (D) le remplacement de l'atome de dopant.
Pour expliquer les processus atomiques, les scientifiques ont effectué des simulations approfondies de dynamique moléculaire ab-initio (abMD) et des calculs de bande élastique nudged d'image d'escalade (cNEB). Ils ont visualisé la distribution d'une variété de dynamiques de dopant P en correspondance avec les énergies cinétiques post-collision initiales de la PKA dans le graphène. Les scientifiques ont induit une série de collisions avec des électrons focalisés par simulation, s'attendant à arriver expérimentalement à une configuration prédéfinie en contrôlant les faisceaux d'électrons pour l'évolution de la configuration atomique, avec une relative facilité.
PKS :Un schéma pour évaluer les sections efficaces de différents processus dynamiques. (A) Le système de coordonnées sphériques utilisé pour décrire le PKS (avec θ et définissant la direction de la quantité de mouvement, et le rayon définissant l'énergie cinétique postcollisionnelle, E, du voisin C). (B) Une coupe verticale du PKS montrant la distribution de la fonction f (appelée « ovoïde » ci-après) pour le faisceau d'électrons ascendant de 60 keV (θ˜e=0°) interagissant avec un PKA en mouvement (E˜=0 à 1 eV). (C) L'ovoïde d'une PKA vibrationnelle (nous utilisons ici E˜=0,5 eV pour l'illustration amplifiée) recoupe différentes zones de résultats, où dans (D), les intersections sont projetées sur un graphique polaire. Les zones magenta marquées par a et c représentent les transitions SW (dans le sens horaire et antihoraire, respectivement), et la zone bleue marquée d'un b représente l'échange direct. (E) Un arbre de décision montrant les résultats possibles de l'interaction atome-électron, où la probabilité de passer par chaque chemin est proportionnelle aux sections efficaces. (F) La PKS et l'ovoïde d'un faisceau d'électrons incliné (θ˜e=17.2°, φ˜e=15°) agissant sur une PKA vibrationnelle (E˜=0,5 eV), avec (G) montrant une intersection différente projetée sur le graphique polaire. Ici, seules les transitions SW dans le sens horaire sont activées, marqué d'un d dans la zone magenta. (H) Une transition SW dans le sens horaire observée expérimentalement d'un dopant Si activé dans un échantillon incliné comme dans (F) et (G). Trois étapes correspondantes sont placées à côté de l'arbre de décision en (E), où les états expérimentaux sont marqués par des carrés noirs, et le chemin observé est indiqué par les branches les plus épaisses. Champ de vision :1 nm × 1 nm. (I) Une vue en perspective latérale du faisceau d'électrons incliné par rapport au plan du graphène. L'échantillon a été maintenu incliné comme ceci dans toutes les images en (H). Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aav2252
Dans l'étude, les scientifiques sont partis d'un état configurationnel initial I
Étant donné que le processus de prédiction et de comparaison des sections efficaces de diffusion des processus dynamiques est essentiel pour l'ingénierie atomique, Su et al. développé un formalisme PKS (primary knock-on-space). Basé sur ceci, les scientifiques ont montré que la distribution de quantité de mouvement de la PKA avait un profil ovoïde après une collision d'électrons, où la forme a changé par rapport à l'énergie et à la direction d'un électron entrant et en raison de l'élan pré-collision de l'atome. Les scientifiques proposent l'utilisation du machine learning et de l'intelligence artificielle, pour comprendre l'unité et les processus d'assemblage à l'avenir. Dans le travail present, les scientifiques ont utilisé un arbre de décision pour prédire les voies d'évolution possibles au cours du génie atomique, où le nœud racine a indiqué la structure initiale et les nœuds enfants ont déduit les prochains résultats possibles.
De cette façon, Su et al. a révélé la physique de l'ingénierie atomique et a utilisé un cadre informatique/analytique comme base pour développer d'autres techniques pour contrôler la dynamique d'un seul atome dans les matériaux 3D. Les scientifiques visent à terme à augmenter l'échelle de plusieurs atomes à partir d'un seul atome pour assembler 1 à 1 000 atomes dans une configuration souhaitée à grande vitesse et efficacité.
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