"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 präzise beschreiben. Schließlich wurden sogar Atomwaffen mit all ihrer zerstörerischen Kraft auf der Grundlage von Prozessen geschaffen, die auf atomarer Ebene abliefen. Heute lernen wir eine Studie kennen, die sich auch auf Atome bezieht, diese aber nicht zur Zerstörung, sondern zur Schöpfung einsetzt. Nämlich über die Kontrolle von Elektronen und ihr Verhalten, die zur Entwicklung von Quantencomputertechnologien und künstlichen neuronalen Netzen beitragen werden. Wie Wissenschaftler es sozusagen geschafft haben, ein Elektron an die Leine zu nehmen und auf einem bestimmten Weg zu laufen, erfahren wir aus ihrem Bericht. Lass uns gehen.

    Studienbasis


    In den letzten Jahren gab es weit mehr als eine Studie auf dem Gebiet der Manipulation mit Elektronen, deren Eigenschaften, Verhalten und Zustand. Viele Wissenschaftler halten diese Richtung für sehr vielversprechend, andere halten sie für grundlegend wichtig für zukünftige Technologien. In diesem Fall stellt sich die logische Frage, inwiefern sich diese Studie von ihren Vorgängern unterscheidet. Die Forscher geben eine ziemlich klare Antwort - Vorspannung. Frühere Studien stützten sich genau auf ihn, um die Kontrolle über das Elektron zu erlangen, genauer gesagt, den Prozess des Ladungsübergangs. So wurde ein unbedeutender Tunnelstrom erzielt und Ladungsmanipulationen durch Transport einzelner Elektronen durchgeführt.

    Im Falle der heutigen Studie wurde das Verfahren geändert. Den Wissenschaftlern gelang es, die Ladung in einer atomaren Nanostruktur auf der Basis von Einzelelektronenereignissen zu kontrollieren, ohne dass eine Vorspannung angelegt werden musste.


    Ein Beispiel für ungesättigte Siliciumbindungen

    Die Materialbasis für die Studie waren ungesättigte Siliciumbindungen (im Folgenden NS) auf der mit Wasserstoff passivierten 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, wodurch sie die Ladung lokalisieren können, ohne eine dünne Isolatorschicht zwischen der Hauptstruktur und dem Substrat zu verwenden. Die Verwendung einer Isolierschicht wurde früher oft 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 NSs, um die Vorspannung zu laden. Ab sofort ist der Ansatz eher mechanisch. Es besteht in der Verwendung einer Sonde, die direkt die Gleichgewichtsposition des Atoms manipuliert, wodurch dieses Atom Träger einer negativen Ladung wird. Das Fehlen einer Vorspannung und die Wechselwirkung über kurze Entfernungen zwischen der Sonde und dem Atom ermöglichen es daher, die Kontrolle über ein einzelnes Elektron zu erreichen.

    Experimentieren


    Das Omicron LT Atomic Force / Tunnel-Mikroskop, das bei einer Temperatur von 4,5 K und Ultrahochvakuum (<1 × 10 –10 Torr) betrieben wurde, wurde als Hauptwerkzeug dieser Studie verwendet .


    Omicron LT-

    Mikroskop Die Mikroskopnadeln bestanden aus einem polykristallinen 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 den Tunnelstrom bereitzustellen. Darüber hinaus wurden die Nadeln durch Stickstoffätzen während der Ionenmikroskopie geschärft.

    Während der Untersuchung selbst stand die Nadel in Kontakt mit der Oberfläche der Probe, wodurch Siliciumatome an der Nadelspitze zurückblieben.

    Die Arbeitsprobe selbst bestand aus hochdotierten (1,5 x 10¹ & sup9; Atome / cm³) (100) Si-Kristallen. Als nächstes wurde ein Entgasungsprozess bei einer Temperatur von 600 ° C für 12 Stunden durchgeführt, mit einer Maximaltemperatur von 1250 ° C geglüht und dann mit Wasserstoff bei einer Temperatur von 330 ° C passiviert.

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


    Bild 1

    Auf Bild 1a sehen wir zwei NS, die mit Hilfe von Spannungsimpulsen an der Sonde durch zwei Wasserstoffzwischenatome strukturiert werden. 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 während des Erhalts dieses Bildes die Position mehrmals veränderte. Um genau zu sein, wird es so dargestellt, als würde man von einem NS zum nächsten springen. Beim Abtasten der Struktur der Probe ( 1c ) sind einhundert sichtbar .

    Außerdem 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 biasf-Spektroskopie durchgeführt wurde, die von der Vorspannung abhängt. Das NS während der Spektroskopie wurde bei 0 V an einer Probe mit n-Dopand negativ geladen ( 1d) Hier sehen wir einen sehr scharfen Übergang zwischen zwei Parabeln, der einem Übergang von einem neutralen zu einem charakteristischen Ladezustand eines einzelnen NS entspricht.

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

    Forscher stellen ein merkwürdiges Merkmal fest: Negativ geladene Silizium-NS stabilisieren sich bei 200 meV (Millielektron-Volt). Dies ist eine Folge der Gitterrelaxation, wenn die Position des Atomkerns 30 pm über dem neutralen Zustand liegt. Dies hilft, das Tunneln zwischen NS zu verhindern.


    Bild Nr. 2

    Es wurde auch festgestellt, 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 mit konstanter Höhe (a) und des konstanten Tunnelstroms (b).

    In der oberen Abbildung 2b ist zu sehen, dass bei maximaler Annäherung der Nadel an die Probe (-320 pm) alle sechs NS negativ geladen sind. Wird die Nadel erst um 50 Uhr auf -270 Uhr angehoben, werden bereits 3 NS negativ geladen (unteres Bild 2b ). Grafik 2c zeigt jedoch, dass diese Änderung nicht reibungslos und linear erfolgt, im Gegenteil, es gibt 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 in einem Paar (blaue Linie bei 3a ) und oberhalb der Oberflächenlücke (orange Linie bei 3a ) durchgeführt. Der Abstand zwischen Probe und Nadel war anfangs 700 pm größer als die Referenzhöhe. Somit wurden alle Kräfte zwischen der Nadel und der Probenoberfläche ausgeglichen. Bis zu dem Zeitpunkt, an dem Δz = −100 pm ist, sind alle drei NS nahezu identisch, was die Dominanz der Fernkräfte bestätigt. Ein starker Anstieg von | ∆f | tritt auf, wenn ∆z ungefähr -302 pm erreicht.

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

    Für eine genauere Untersuchung des Lese- und Schreibmodus wurden mehrere Experimente mit symmetrischen und asymmetrischen Strukturen (von 5 NS) durchgeführt.


    Bild Nr. 4 Die

    Bilder 4a-c zeigen den experimentellen Aufbau der symmetrischen ( 4d ) und asymmetrischen ( 4h ) Strukturen.

    Während des Aufnahmemodus bewegt sich die Nadel in geringem Abstand über das Bild, und im Lesemodus bewegt sich die Nadel um 50 Uhr zurück und weiter in die entgegengesetzte Richtung. 4f / 4g Bildpaareund 4j / 4k 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 Degenerationsprozess, dessen Ergebnis in Bild 4e dargestellt ist.

    Bei einer asymmetrischen Struktur hatten drei von ihnen eine negative Ladung, als die NS nur 5 Jahre alt war. Hier konnte auch eine Manipulation mit der Ladung im inneren NS-Paar erreicht werden. Unter Berücksichtigung der Asymmetrie der Struktur sind beide Ladungszustände jedoch nicht entartet.

    Für eine detaillierte Kenntnisnahme der Studie und weiterer Materialien empfehle ich, den Bericht der Forscher zu lesen.

    Nachwort


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

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

    Und ein bisschen humorvoll offtopic :)


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