"Gehen" eines Elektrons: Manipulationen mit einer Ladung innerhalb der Struktur ungesättigter Bindungen

Der Teufel im Detail. Dieser Satz kann den Prozess der Suche nach neuen Bausteinen moderner Technologie sehr kurz und genau beschreiben. Schließlich wurden sogar Atomwaffen mit all ihrer zerstörerischen Kraft auf der Grundlage von Prozessen auf atomarer Ebene geschaffen. Heute werden wir eine Studie kennenlernen, die auch Atome betrifft, aber nicht wegen ihrer Zerstörung, sondern wegen ihrer Schöpfung. Die Kontrolle der Elektronen und ihres Verhaltens, die zur Entwicklung von Quantencomputertechnologien und künstlichen neuronalen Netzen beitragen wird. Wie es Wissenschaftlern sozusagen gelungen ist, ein Elektron an die Leine zu nehmen und es auf einem bestimmten Weg zu gehen, lernen wir aus ihrem Bericht. Lass uns gehen.

Studienbasis

In den letzten Jahren gab es weit mehr als eine Studie auf dem Gebiet der Manipulationen mit Elektronen, ihrer Eigenschaften, ihres Verhaltens und ihres Zustands. Viele Wissenschaftler halten diese Richtung für sehr vielversprechend, andere nennen sie für zukünftige Technologien von grundlegender Bedeutung. In diesem Fall stellt sich eine logische Frage: Wie unterscheidet sich diese Studie von ihren Vorgängern? Forscher geben eine ziemlich klare Antwort - Vorspannung. Frühere Studien stützten sich genau auf ihn und erlangten die Kontrolle über das Elektron bzw. den Übergangsprozess der Ladungen. So wurde ein unbedeutender Tunnelstrom erreicht und Ladungsmanipulationen durch Transport einzelner Elektronen durchgeführt.

Im Fall der heutigen Studie wurde das Verfahren geändert. Den Wissenschaftlern gelang es, die Kontrolle über die Ladung innerhalb einer atomaren Nanostruktur auf der Grundlage von Einzelelektronenereignissen zu erlangen, ohne dass eine Vorspannung angelegt werden musste.


Ein Beispiel für ungesättigte Siliziumbindungen

Die Materialbasis für die Studie waren ungesättigte Siliziumbindungen (im Folgenden: NS) auf der wasserstoffpassivierten Si (100) -2x1-Oberfläche. Wissenschaftler stellen fest, dass die Verwendung von Silizium bestimmte Vorteile hat. Die Hauptsache ist die elektronische Isolierung ungesättigter Bindungen vom Substrat, die es ihnen ermöglicht, die Ladung zu lokalisieren, ohne eine dünne Isolatorschicht zwischen der Hauptstruktur und dem Substrat zu verwenden. Die Verwendung einer Isolierschicht wurde oft zuvor angewendet. Hier haben wir einen weiteren Unterschied zwischen der aktuellen Studie und ihren Vorgängern festgestellt. Die genauen Intervalle zwischen NS wurden jedoch aufgrund des Kristallgitters erhalten.

Wie bereits erwähnt, verwendeten andere Forscher eine Vorspannung oder sogar geladene NS, um die Vorspannung aufzuladen. Sofort ist der Ansatz mechanischer. Es besteht in der Verwendung einer Sonde, die die Gleichgewichtsposition des Atoms direkt manipuliert und es diesem Atom ermöglicht, Träger einer negativen Ladung zu werden. Das Fehlen einer Vorspannung und die kurzreichweitige Wechselwirkung zwischen der Sonde und dem Atom ermöglichen es somit, die Kontrolle über ein einzelnes Elektron zu erreichen.

Experimentieren

Das Omicron LT-Rasterkraft- / Tunnelmikroskop, das bei einer Temperatur von 4,5 K und einem Ultrahochvakuum (<1 × ^{10 –10} Torr) betrieben wurde, wurde als Hauptwerkzeug dieser Studie verwendet.


Omicron LT Mikroskop

Die Mikroskopnadeln bestanden aus polykristallinem Wolframdraht, der chemisch geätzt, mit einem fokussierten Ionenstrahl geschärft und an einem qPlus-Sensor befestigt wurde.


QPlus-Sensorschaltung

Die Nadelresonanzfrequenz betrug 28 kHz, der Q-Faktor lag im Bereich von 12 bis 14 und die Amplitude betrug 50 Pikometer. Eine zusätzliche Elektrode am Sensor wurde ebenfalls verwendet, um Tunnelstrom bereitzustellen. Darüber hinaus wurden die Nadeln durch Stickstoffätzen während der Ionenmikroskopie geschärft.

Während der Untersuchung selbst war die Nadel in Kontakt mit der Oberfläche der Probe, so dass Siliziumatome an der Nadelspitze verblieben.

Die Arbeitsprobe selbst bestand aus hochdotierten (1,5 × 1019 Atomen / cm3) (100) Si-Kristallen. Als nächstes wurde ein Entgasungsprozess bei einer Temperatur von 600 ° C für 12 Stunden durchgeführt, wobei mit einer Maximaltemperatur von 1250 ° C getempert und dann mit Wasserstoff bei einer Temperatur von 330 ° C passiviert wurde.

Ungesättigte Bindungen wurden unter Verwendung von kurzen Spannungsimpulsen (+2,1 V, 10 ms) gebildet, wenn sich die Nadel direkt über Wasserstoff befand.


Bild Nr. 1

In Bild 1a sehen wir 2 NS, die mithilfe von zwei Wasserstoffzwischenatomen unter Verwendung von Spannungsimpulsen an der Sonde strukturiert sind. Dieses NS-Paar enthält 1 negative Ladung.

Das Bild der konstanten Frequenzverschiebung (∆f) erscheint leicht schattiert ( 1b ). Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass eine negative Ladung beim Erhalten dieses Bildes mehrmals ihre Position geändert hat. Um genau zu sein, schien die Ladung von einem NS zum anderen zu springen, was beim Scannen der Struktur der Probe ( 1c ) zu sehen ist.

Ferner mussten die Forscher feststellen, dass die Änderung des Kontrasts in ∆f-Bildern direkt vom Ladezustand abhängt. Zu diesem Zweck musste ein isoliertes NS außerhalb des Paares analysiert werden, indem eine ∆f-Spektroskopie durchgeführt wurde, die von der Vorspannung abhängt. Das NS während des Spektroskopieprozesses wurde bei 0 V an einer Probe mit n-Dopand ( 1d ) negativ geladen. Hier sehen wir einen sehr scharfen Übergang zwischen zwei Parabeln, der einem Übergang von einem neutralen zu einem charakteristischen Ladungszustand eines einzelnen NS entspricht.

In Bild 1f sehen wir, wie sich die Position der Ladung innerhalb von 4,8 Minuten geändert hat. Eine wichtige Beobachtung ist, dass eine negative Ladung im System einige Sekunden lang bestehen bleiben kann.

Forscher bemerken ein merkwürdiges Merkmal - negativ geladene Silizium-NS stabilisieren sich bei 200 meV (Millielektronvolt). Dies ist eine Folge der Gitterrelaxation, wenn die Position des Atomkerns 30 pm über den neutralen Zustand steigt. Dies hilft, das Tunneln zwischen HCs zu verhindern.


Bild Nr. 2

Es wurde auch gefunden, dass der Zustand des NS bei 0 V stark von ∆z abhängt. Die Bestätigung dieser Aussage wurde durch eine Reihe von Scans nach der Methode einer konstanten Höhe der Struktur von sechs NS erhalten.


Vergleich der Methode (a) mit konstanter Höhe und des konstanten Tunnelstroms (b).

Im oberen Bild 2b ist zu sehen, dass bei maximaler Annäherung der Nadel an die Probe (-320 pm) alle sechs NS eine negative Ladung haben. Wenn die Nadel nur um 50 Uhr auf -270 Uhr angehoben wird, werden bereits 3 NS negativ geladen (unteres Bild 2b ). Grafik 2c zeigt jedoch, dass diese Änderung nicht reibungslos und linear erfolgt, im Gegensatz dazu besteht eine starke Lücke zwischen -300 und -290 pm.


Bild Nr. 3

Die Beobachtung eines abrupten Übergangs in Abhängigkeit von der Nadelhöhe reicht nicht aus, um eine vollständige Schlussfolgerung zu ziehen. Daher wurde eine Leistungsspektroskopie bei 0 V an einzelnen NS paarweise (blaue Linie bei 3a ) und oberhalb der Oberflächenlücke (orange Linie bei 3a ) durchgeführt. Anfangs war der Abstand zwischen der Probe und der Nadel 700 pm größer als die Referenzhöhe. Somit wurden alle Kräfte zwischen der Nadel und der Probenoberfläche eingeebnet. Bis zu dem Moment, in dem Δz = –100 pm ist, sind alle drei NS nahezu gleich, was das Vorherrschen von Fernkräften bestätigt. Ein starker Anstieg | ∆f | tritt auf, wenn ∆z ungefähr -302 pm erreicht.

Dies führt zu einer Hysterese zwischen der Approximationskurve und der Retraktionskurve mit | ∆f | bleibt ausreichend hoch, bis ∆z –100 pm erreicht. Wissenschaftler führen dieses Phänomen auf die Lokalisierung einer Paarladung im NS direkt unter der Nadel zurück.

Für eine detailliertere Untersuchung der Lese- und Schreibmodi wurden mehrere Experimente mit symmetrischen und asymmetrischen Strukturen (von 5 NS) durchgeführt.


Bild Nr. 4

Die Bilder 4a-c zeigen die experimentellen Designs der symmetrischen ( 4d ) und asymmetrischen ( 4h ) Strukturen.

Während des Aufnahmemodus fährt die Nadel in kurzer Entfernung über das Bild, und im Lesemodus bewegt sich die Nadel um 50 Uhr zurück und bewegt sich weiter in die entgegengesetzte Richtung. Die Paare von 4f / 4g- und 4j / 4k- Bildern zeigen deutlich, dass die Ladung innerhalb der Struktur in beiden Strukturen vollständig manipuliert werden kann.

Bei einer symmetrischen Struktur konnte die Ladung in eine der NS des inneren Paares verschoben werden: die rechte (Bild 4f ) und die linke ( 4g ). Darauf folgte ein Entartungsprozess, dessen Ergebnis in Bild 4e dargestellt ist.

Im Fall einer asymmetrischen Struktur hatten drei von ihnen eine negative Ladung, als der NS nur 5 war. Hier war es auch möglich, eine Manipulation mit der Ladung im inneren NS-Paar zu erreichen. Unter Berücksichtigung der Asymmetrie der Struktur degenerierten beide Ladungszustände jedoch nicht.

Für eine detaillierte Bekanntschaft mit der Studie und zusätzlichen Materialien empfehle ich, den Bericht der Forscher zu lesen.

Nachwort

Wissenschaftler sagen, dass die obigen experimentellen Ergebnisse die reale Fähigkeit bestätigen, Elektronen innerhalb von Strukturen zu manipulieren, die auf ungesättigten Bindungen basieren. Der resultierende Ladungszustand bleibt einige Sekunden lang stabil, was durch die Relaxation des Siliziumgitters erreicht wird, das negativ geladene ungesättigte Bindungen stabilisiert. In diesem Fall ist das Hauptwerkzeug in diesem Experiment die Sonde, und der Prozess selbst ist völlig unabhängig von der Vorspannung.

Diese Studie bestätigt erneut, dass für Wissenschaftler nichts unmöglich ist. Selbst die kleinsten Objekte sind für das Studium und jetzt für die Manipulation nicht mehr unzugänglich. Quantencomputer und künstliche neuronale Netze können zusätzliche Entwicklungsimpulse erhalten, wenn diese Studie fortgesetzt wird. Hoffen wir, dass sein Potenzial immer noch so groß ist, wie es die Autoren wollen.


Vielen Dank für Ihren Aufenthalt bei uns. Gefällt dir unser Artikel? Möchten Sie weitere interessante Materialien sehen? Unterstützen Sie uns, indem Sie eine Bestellung aufgeben oder Ihren Freunden empfehlen, einen Rabatt von 30% für Habr-Benutzer auf ein einzigartiges Analogon von Einstiegsservern, das wir für Sie erfunden haben: Die ganze Wahrheit über VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Kerne) 10 GB DDR4 240 GB SSD 1 Gbit / s von $ 20 oder wie teilt man den Server? (Optionen sind mit RAID1 und RAID10, bis zu 24 Kernen und bis zu 40 GB DDR4 verfügbar).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Kerne) 10 GB DDR4 240 GB SSD 1 Gbit / s bis Dezember kostenlos, wenn Sie für einen Zeitraum von sechs Monaten bezahlen, können Sie hier bestellen.

Dell R730xd 2 mal günstiger? Nur wir haben 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128 GB DDR4 6 x 480 GB SSD 1 Gbit / s 100 TV von 249 US-Dollar in den Niederlanden und den USA! Lesen Sie mehr über den Aufbau eines Infrastrukturgebäudes. Klasse mit Dell R730xd E5-2650 v4 Servern für 9.000 Euro für einen Cent?