"المشي" للإلكترون: التلاعب بشحنة داخل بنية الروابط غير المشبعة

الشيطان في التفاصيل. يمكن لهذه العبارة أن تصف بإيجاز ودقة عملية البحث عن لبنات بناء جديدة للتكنولوجيا الحديثة. بعد كل شيء ، حتى الأسلحة النووية بكل قوتها المدمرة تم إنشاؤها على أساس العمليات التي تحدث على المستوى الذري. اليوم سنتعرف على دراسة تؤثر أيضًا على الذرات ، ولكن ليس لتدميرها ، ولكن للخلق. وهي التحكم في الإلكترونات وسلوكها ، مما سيساعد على تطوير تقنيات الحوسبة الكمومية والشبكات العصبية الاصطناعية. كيف تمكن العلماء ، إذا جاز التعبير ، من وضع إلكترون على مقود وسيره على طول مسار معين ، نتعلم من تقريرهم. دعنا نذهب.

أساس الدراسة

على مدى السنوات القليلة الماضية ، كانت هناك أكثر من دراسة واحدة في مجال التلاعب بالإلكترونات وخصائصها وسلوكها وحالتها. يعتبر العديد من العلماء أن هذا الاتجاه واعد جدًا ، ويصفه آخرون بأنه مهم بشكل أساسي للتكنولوجيات المستقبلية. في هذه الحالة ، يطرح سؤال منطقي - كيف تختلف هذه الدراسة عن سابقاتها؟ يعطي الباحثون إجابة واضحة إلى حد ما - جهد التحيز. اعتمدت الدراسات السابقة عليه بالتحديد ، وتحكم في الإلكترون ، أو بالأحرى ، في عملية انتقال الشحنات. وهكذا ، تم تحقيق تيار نفق ضئيل ، وتم تنفيذ التلاعب بالشحن عن طريق نقل الإلكترونات الفردية.

في حالة دراسة اليوم ، تم تغيير الإجراء. تمكن العلماء من السيطرة على الشحنة داخل البنية النانوية الذرية على أساس أحداث الإلكترون الواحد ، ولكن دون الحاجة إلى تطبيق جهد التحيز.


مثال على روابط السيليكون غير المشبعة

كان الأساس المادي للدراسة هو روابط السليكون غير المشبعة (المشار إليها فيما يلي بـ NS) على سطح Si (100) -2x1 المندرج الهيدروجين. لاحظ العلماء أن استخدام السيليكون له مزايا معينة. الشيء الرئيسي هو العزلة الإلكترونية للروابط غير المشبعة من الركيزة ، والتي تسمح لهم بتوطين الشحنة دون استخدام طبقة رقيقة من العازل بين الهيكل الرئيسي والركيزة. غالبًا ما تم استخدام طبقة عازلة سابقًا. لقد وجدنا هنا اختلافًا آخر بين الدراسة الحالية وأسلافها. ولكن تم الحصول على الفواصل الزمنية بين NS بسبب الشبكة البلورية.

كما ذكرنا سابقًا ، استخدم باحثون آخرون جهد التحيز أو حتى تهمة NS لفرض التحيز. على الفور يكون النهج أكثر ميكانيكية. وهو يتألف من استخدام مسبار ، يعالج بشكل مباشر وضع التوازن للذرة ، مما يسمح لهذه الذرة بأن تصبح حاملة لشحنة سالبة. وهكذا ، فإن غياب الجهد المتحيز والتفاعل قصير المدى بين المسبار والذرة يجعل من الممكن تحقيق السيطرة على إلكترون فردي.

التجريب

تم استخدام مجهر Omicron LT الذري / المجهر النفقي الذي يعمل عند درجة حرارة 4.5 كلفن والفراغ العالي (<1 × ^10-10 تور) كأداة رئيسية لهذه الدراسة.


أوميكرون مجهر

صنعت إبر المجهر من أسلاك التنغستن متعددة البلورات ، والتي تم حفرها كيميائياً ، وشحذها بواسطة شعاع أيوني مركز ، وإرفاقها بمستشعر qPlus.


دائرة استشعار QPlus

كان تردد رنين الإبرة 28 كيلو هرتز ، وكان عامل Q في النطاق 12 ... 14 ، وكان الاتساع 50 بيكومتر. كما تم استخدام قطب إضافي على المستشعر لتوفير تيار النفق. بالإضافة إلى ذلك ، تم شحذ الإبر عن طريق حفر النيتروجين أثناء الفحص المجهري الأيوني.

أثناء الدراسة نفسها ، كانت الإبرة على اتصال مع سطح العينة ؛ ونتيجة لذلك ، بقيت ذرات السيليكون على طرف الإبرة.

كانت عينة العمل نفسها مصنوعة من بلورات مخدرة للغاية (1.5 × 1019 ذرة / سم 3) (100) بلورات Si. بعد ذلك ، تم إجراء عملية إزالة الغازات عند درجة حرارة 600 درجة مئوية لمدة 12 ساعة ، وتصلب مع درجة حرارة قصوى تبلغ 1250 درجة مئوية ، ثم التخميل مع الهيدروجين عند درجة حرارة 330 درجة مئوية.

تم تكوين روابط غير مشبعة من خلال استخدام نبضات جهد قصير (+2.1 فولت ، 10 مللي ثانية) ، عندما كانت الإبرة تقع مباشرة فوق الهيدروجين.


الصورة رقم 1

في الصورة 1 أ ، نرى 2 NS مُنظَّمة عن طريق ذرتي هيدروجين متوسطتين باستخدام نبضات جهد على المسبار. يحتوي زوج NS هذا على شحنة سالبة واحدة.

تبدو صورة تحول التردد الثابت (∆f) مظللة قليلاً ( 1 ب ). ويرجع ذلك إلى حقيقة أن الشحنة السالبة غيرت موضعها عدة مرات في عملية الحصول على هذه الصورة. على وجه الدقة ، بدت الشحنة تقفز من NS إلى أخرى ، والتي يمكن رؤيتها عند مسح بنية العينة ( 1c ).

علاوة على ذلك ، احتاج الباحثون إلى تحديد أن التغيير في التباين في صور dependsf يعتمد بشكل مباشر على حالة الشحن. للقيام بذلك ، كان من الضروري تحليل NS معزولة ، خارج الزوج ، من خلال إجراء التحليل الطيفي ،f ، الذي يعتمد على التحيز. تم شحن NS في عملية التحليل الطيفي بشكل سلبي عند 0 فولت على عينة مع n-dopand ( 1d ). نرى هنا انتقالًا حادًا للغاية بين مقطعين مكافئين ، وهو ما يتوافق مع الانتقال من حالة شحن محايدة إلى حالة شحن مميزة لفرد NS.

في الصورة 1 و ، نرى كيف تغيرت تكلفة الشحن في غضون 4.8 دقيقة. ملاحظة مهمة هي أن الشحنة السالبة يمكن أن تستمر في النظام لعدة ثوان.

لاحظ الباحثون ميزة غريبة - تستقر NSS السليكونية المشحونة سلبًا عند 200 meV (ميليترون-فولت). هذا ناتج عن استرخاء الشبكة ، عندما يرتفع موقع النواة الذرية 30 م فوق الحالة المحايدة. هذا يساعد على منع النفق بين HCs.


الصورة رقم 2

وقد وجد أيضًا أن حالة NS عند 0 فولت تعتمد بشدة على ∆z. تم الحصول على تأكيد هذا البيان من خلال سلسلة من عمليات المسح عن طريق الارتفاع المستمر لهيكل NS.


مقارنة طريقة الارتفاع الثابت (أ) وتيار النفق المستمر (ب).

في الصورة العلوية 2 ب ، يمكن ملاحظة أنه عند التقريب الأقصى للإبرة للعينة (-320 مساءً) ، يكون لجميع NSs الستة شحنة سالبة. إذا تم رفع الإبرة بمقدار 50 م فقط إلى مستوى -270 م ، فسيتم بالفعل شحن 3 NS بشكل سلبي (الصورة السفلية 2 ب ). لكن الرسم البياني 2 ج يوضح أن هذا التغيير لا يحدث بسلاسة وخطية ، بل على العكس ، هناك فجوة قوية بين -300 و -290 مساءً.


الصورة رقم 3

ملاحظة انتقال مفاجئ واحد ، اعتمادًا على ارتفاع الإبرة ، لا تكفي للتوصل إلى نتيجة كاملة. لذلك ، تم إجراء التحليل الطيفي للطاقة عند 0 فولت على NS الفردية الفردية في زوج (الخط الأزرق عند 3 أ ) وفوق الشغور السطحي (الخط البرتقالي عند 3 أ ). في البداية ، كانت المسافة بين العينة والإبرة 700 م أكثر من الارتفاع المرجعي. وهكذا ، تم تسوية جميع القوى بين الإبرة وسطح العينة. حتى اللحظة التي تكون فيها Δz = −100 مساءً ، تكون جميع NS الثلاث متشابهة تقريبًا ، مما يؤكد هيمنة القوات بعيدة المدى. زيادة حادة | ∆f | يحدث عندما يصل ∆z إلى -302 مساءً تقريبًا.

هذا يؤدي إلى التباطؤ بين منحنى التقريب ومنحنى التراجع ، مع | ∆f | لا يزال مرتفعًا بما يكفي حتى يصل ∆z إلى −100 م. يعزو العلماء هذه الظاهرة إلى توطين شحنة زوجية في NS مباشرة تحت الإبرة.

من أجل دراسة أكثر تفصيلاً لأوضاع القراءة والكتابة ، تم إجراء العديد من التجارب مع الهياكل المتماثلة وغير المتماثلة (من أصل 5 NS).


الصورة رقم 4

توضح الصور 4 أ-ج التصميمات التجريبية للهياكل المتماثلة ( 4 د ) وغير المتماثلة ( 4 س ).

أثناء وضع التسجيل ، تمر الإبرة فوق الصورة على مسافة قصيرة ، وفي وضع القراءة ، تتحرك الإبرة مرة أخرى بحلول الساعة 50 مساءً وتستمر في التحرك في الاتجاه المعاكس. تظهر أزواج صور 4f / 4g و 4 j / 4k بوضوح أنه يمكن معالجة الشحنة داخل الهيكل بالكامل في كلا الهيكلين.

في حالة البنية المتناظرة ، كان من الممكن تحويل الشحنة إلى واحدة من NSs للزوج الداخلي: اليمين (الصورة 4f ) واليسار ( 4g ). تتبع عملية الانحطاط ، والتي تظهر نتيجتها في الصورة 4e.

في حالة الهيكل غير المتماثل ، عندما كان NS فقط 5 ، كان لثلاثة منهم شحنة سالبة. هنا ، كان من الممكن أيضًا تحقيق التلاعب بالشحنة في الزوج الداخلي لـ NS. ولكن ، مع الأخذ بعين الاعتبار عدم تناسق الهيكل ، لم تتدهور حالتا الشحن.

للتعرف على تفاصيل الدراسة والمواد الإضافية لها ، أوصي بقراءة تقرير الباحثين .

الخاتمة

يقول العلماء أن النتائج التجريبية المذكورة أعلاه تؤكد القدرة الحقيقية على معالجة الإلكترونات داخل الهياكل بناءً على الروابط غير المشبعة. تبقى حالة الشحن الناتجة مستقرة لعدة ثوان ، وهو ما يتحقق بسبب استرخاء شبكة السليكون ، التي تثبت الروابط غير المشبعة سالبة الشحنة. في هذه الحالة ، الأداة الرئيسية في هذه التجربة هي المسبار ، والعملية نفسها مستقلة تمامًا عن جهد التحيز.

تؤكد هذه الدراسة مرة أخرى أنه لا يوجد شيء مستحيل بالنسبة للعلماء. حتى أصغر الأشياء لم تعد متاحة للدراسة ، والآن للتلاعب. يمكن للحوسبة الكمومية والشبكات العصبية الاصطناعية الحصول على زخم إضافي في التنمية إذا استمرت هذه الدراسة. دعونا نأمل أن إمكاناتها لا تزال كبيرة كما يريد مؤلفوها.


شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية مواد أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على نظير فريد من خوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 نوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا وحتى 40 جيجابايت DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 نوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps حتى ديسمبر مجانًا عند الدفع لمدة ستة أشهر ، يمكنك الطلب هنا .

ديل R730xd أرخص مرتين؟ فقط لدينا 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة! اقرأ عن كيفية بناء مبنى البنية التحتية الطبقة باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل سنت واحد؟