Nová technika odhaluje 3-D strukturu a složení silných, na míru vyrobených vysokoteplotních supravodičů

Calling All Cars: Crime v. Time / One Good Turn Deserves Another / Hang Me Please (Červenec 2019).

Anonim

Některé z nejslibnějších a nejzajímavějších jevů ve fyzice hrají na nanosnímku, kde posunutí miliardtiny metru může způsobit nebo přerušit dokonalou elektrickou vodivost.

Nyní vědci vyvinuli novou metodu pro zkoumání trojrozměrných atomárních složitostí a chemických kompozic s bezprecedentní přesností. Průlomová technika - popsaná 6. února v časopise Nano Letters - spojuje mikroskopii atomové síly s spektrem blízko pole, aby odhalila překvapivé poškození způsobené i nejjemnějšími silami.

"Je to jako udělování zraku nevidomým, " řekl vedoucí autor Adrian Gozar z Yale University. "Můžeme konečně vidět nejdůležitější varianty, které diktují funkčnost v tomto měřítku, a lépe prozkoumat jak špičkovou elektroniku, tak základní otázky, které trvají desítky let."

Vědci z univerzity Yale, Harvardská univerzita a Národní laboratoř amerického ministerstva energetiky Brookhaven vyvinuli techniku, která určila, proč určitá technika výroby zařízení - lithografie s paprskem hélia - nedokázala vytvořit škálovatelné, vysoce výkonné supravodivé nanočáry předpověděné oběma teoriemi a simulace.

V předchozích pracích byly těžké iontové svazky použity k vyřezávání kanálků o šířce 10 nm - asi 10 000krát tenčí než lidské vlasy - na zakázku vyrobené materiály. Nová studie však ukázala, že poškození způsobené paprskem se rozšiřuje přes 50 násobek této vzdálenosti. V tomto měřítku byl tento rozdíl nepostradatelný a funkčně katastrofický.

"To se přímo zabývá výzvou kvantové výpočetní techniky, například tam, kde firmy včetně společnosti IBM a Google zkoumají supravodivé nanočáry, ale potřebují spolehlivou syntézu a charakterizaci, " řekl studijní spoluautor a fyzik Brookhaven Lab Ivan Bozovic.

Psaní s ionty

Jeden slibný návrh vysokoteplotních supravodivých zařízení je střídání supravodičů-izolátor-supravodič (SIS) rozhraní - nebo tzv. Josephson křižovatky. Jsou teoreticky snadno vyrobitelné přímým zápisem paprsků za předpokladu, že lze dosáhnout dostatečné přesnosti.

HI-lithiová lithografie (HIB) byla dokonalým kandidátem, nedávno osvědčená v podobných materiálech a vhodná pro rychlou a škálovatelnou výrobu supravodivých nanofirem a Josephsonových křižovatek.

"HIB umožňuje zaměřit paprsek částic na méně než jeden nanometr a účinně" napsat "vzory pro vytvoření supravodivých rozhraní, " řekl Nicholas Litombe, který vedl práci HIB pod vedením profesora Jennyho Hoffmana z Harvardu, spoluautora této studie. "My jsme se rozhodli posunout tuto techniku ​​na jinou třídu materiálů: tenké filmy LSCO."

Spolupráce začala s pečlivou sestavou perfektních tenkých vrstev LSCO - tak pojmenovaných pro použití lanthanu, stroncia, mědi a kyslíku. Bozovicova skupina v Brookhavenu používala techniku ​​nazvanou epitaxi molekulárního paprsku atomové vrstvy, která může vytvářet atomově dokonalé supravodivé filmy a heterostruktury.

"Mám dlouholetý zájem a specializaci v používání interfázové fyziky k indukci a pochopení vysokoteplotní supravodivosti, " řekl Bozovic. "HIB nám dává úplně nový způsob, jak prozkoumat tyto materiály na nanoskopu."

Litombe vyřezala ultra-přesné kanály rozhraní v tenkých filmech Bozovic. Ale okamžité výsledky byly odrazující: očekávaná supravodivost byla zcela potlačena, když proud protékal dráty užšími než pár stovek nanometrů.

"Naše počítačové modely a experimentální výsledky vypadaly skvěle, ale věděli jsme, že existují skryté síly v práci, " řekla Litombe. "Potřebovali jsme hlubší nahlédnutí do materiálové struktury."

Kryogenní blesk

Materiálové složení a elektronické vlastnosti mohou být určeny způsobem, jakým absorbují a emitují světlo - dlouhodobé pole nazvané spektroskopie. V případě supravodivosti to může rozlišovat mezi "lesklým" povrchem vodivého kovu a opotřebením izolátoru proudu.

Vědci se obrátili na skenování blízké optické mikroskopie (SNOM), aby zkoumali spektroskopické lesk na dráhách HIB. Ale tato technika, která přivádí světlo přes zlacenou skleněnou kapiláru, má rozlišovací schopnost kolem 100 nanometrů - příliš velká, aby zkoumala supravodivé rozhraní nanometrů.

Naštěstí vytvořil Gozar speciální nástroj, který radikálně zvyšuje spektroskopické rozlišení. Stroj, postavený výhradně v laboratoři Brookhaven Lab a nyní umístěný v Yale, kombinuje SNOM s mikroskopií atomové síly (AFM). Stejně jako jehla rekordního hráče, která získává zvuk z textura vinylů, jehla AFM cestuje přes materiál a čte atomovou topografii.

"Tady jehla AFM působí jako blesk, který nasměruje světlo SNOM na pouhých desítky nanometrů, " řekl Gozar. "Máme současně AFM topografii a spektroskopické údaje o hlubokých chemických strukturách."

Rozhodující je také skutečnost, že systém AFM-SNOM firmy Gozar pracuje také při kryogenních teplotách potřebných pro testování těchto materiálů - schopnost, kterou nabízí pouze několik laboratoří na světě.

Rozsáhlé zříceniny

Nová technika odhalila neočekávané a rozšířené poškození, které zbylo v důsledku iontů hélia. Navzdory 0, 5-nanometrovému zaměření paprsku se jeho účinky třásly atomy napříč šířením 500 nanometrů a strukturu změnily natolik, aby zabránily supravodivosti. Pro stavbu nanomateriálů je tento takzvaný boční stoupání naprosto neudržitelný.

"Dokonce i nejmenší posun v tomto měřítku rozbíjí silné jevy, které máme v úmyslu využít, " řekla Litombe. "Vysokoteplotní supravodivost může mít koherenční vzdálenost jen několika atomů, takže tento boční účinek je zničující. Jsme samozřejmě nadšeni, že zkoumáme detaily, které se nikdy předtím neviděly."

Bozovic dodal: "V určitém smyslu byl celý výsledek negativní. Naším původním cílem vytvořit supravodivé dráty s nanometrovou hustotou nebylo zcela splněno, ale ukázalo se, proč otevřela opravdu vzrušující dveře."

Technika SNOM-AFM je snadno použitelná pro oblasti, jako je plasmonika pro zobrazovací technologii a studium mechanismu za vysokoteplotní supravodivost.

"Rozlišení nanometrů a tomografické schopnosti tohoto nástroje nás posunuly na vrchol odhalení nových pravd o jevů nanometrů a technologii, kterou jim umožňuje, " řekl Gozar.

menu
menu