Sintesis di permukaan nanoribbons graphene dapat memajukan perangkat kuantum


Sintesis di permukaan nanoribbons graphene dapat memajukan perangkat kuantum

  • Ilmuwan mensintesis graphene nanoribbons, ditunjukkan dengan warna kuning, pada substrat titanium dioksida, dengan warna biru. Ujung pita yang lebih terang menunjukkan status magnetis. Gambar inset menunjukkan bagaimana ujungnya berputar ke atas dan ke bawah, cocok untuk membuat qubit.

    Kredit: ORNL, Departemen Energi AS

    Ilmuwan mensintesis graphene nanoribbons, ditunjukkan dengan warna kuning, pada substrat titanium dioksida, dengan warna biru. Ujung pita yang lebih terang menunjukkan status magnetis. Gambar inset menunjukkan bagaimana ujungnya berputar ke atas dan ke bawah, cocok untuk membuat qubit.

  • Wonhee Ko, kiri, dan An-Ping Li dengan mikroskop penerowongan pemindaian di Pusat Ilmu Material Nanophase pada Februari 2020.

    Kredit: Carlos Jones / ORNL, Departemen Energi AS

    Wonhee Ko, kiri, dan An-Ping Li dengan mikroskop penerowongan pemindaian di Pusat Ilmu Material Nanophase pada Februari 2020.

  • Marek Kolmer

    Kredit: Departemen Energi AS

    Marek Kolmer


Tim ilmuwan multi-institusi internasional telah mensintesis serat nano graphene – strip atom karbon sangat tipis – pada permukaan titanium dioksida menggunakan metode atom yang tepat yang menghilangkan penghalang untuk struktur nano karbon yang dirancang khusus yang diperlukan untuk ilmu informasi kuantum.

Graphene terdiri dari lapisan karbon setebal atom tunggal yang memiliki karakteristik mekanis yang sangat ringan, konduktif, dan sangat kuat. Materi yang dipelajari secara populer menjanjikan untuk mengubah ilmu elektronik dan informasi karena sifat elektronik, optik, dan transportasi yang sangat merdu.

Ketika dibuat menjadi nanoribbons, graphene dapat diterapkan dalam perangkat skala nano; namun, kurangnya ketepatan skala atom dalam menggunakan metode sintetik “top-down” mutakhir saat ini – memotong lembaran graphene menjadi strip sempit atom – penggunaan praktis stymie graphene.

Para peneliti mengembangkan pendekatan “bottom-up” – membangun nanoribbon graphene langsung di tingkat atom dengan cara yang dapat digunakan dalam aplikasi tertentu, yang dipahami dan direalisasikan di Center for Nanophase Material Sciences, atau CNMS, yang terletak di Laboratorium Nasional Oak Ridge Departemen Energi.

Metode presisi absolut ini membantu mempertahankan properti berharga dari lapisan tunggal graphene karena segmen graphene menjadi semakin kecil. Perbedaan lebar satu atau dua atom saja dapat mengubah sifat sistem secara dramatis, mengubah pita semikonduktor menjadi pita logam. Hasil tim dijelaskan di Ilmu.

Marek Kolmer ORNL, An-Ping Li dan Wonhee Ko dari kelompok Scanning Tunneling Microscopy CNMS berkolaborasi dalam proyek ini dengan para peneliti dari Espeem, sebuah perusahaan riset swasta, dan beberapa institusi Eropa: Friedrich Alexander University Erlangen-Nuremberg, Jagiellonian University dan Martin Luther Universitas Halle-Wittenberg.

Keahlian ORNL yang unik dalam pemindaian mikroskop tunneling sangat penting bagi keberhasilan tim, baik dalam memanipulasi bahan prekursor dan memverifikasi hasil.

“Mikroskop ini memungkinkan Anda untuk secara langsung mengambil gambar dan memanipulasi materi pada skala atom,” Kolmer, seorang rekan postdoctoral dan penulis utama makalah tersebut, mengatakan. “Ujung jarum sangat halus sehingga pada dasarnya seukuran satu atom. Mikroskop ini bergerak baris demi baris dan secara konstan mengukur interaksi antara jarum dan permukaan dan membuat peta struktur permukaan yang tepat secara atom. “

Dalam percobaan graphene nanoribbon sebelumnya, material itu disintesis pada substrat logam, yang secara tak terelakkan menekan properti elektronik dari nanoribbon.

“Memiliki sifat elektronik dari pita-pita ini berfungsi seperti yang dirancang adalah keseluruhan cerita. Dari segi aplikasi, substrat logam tidak berguna karena menyaring properti, ”kata Kolmer. “Ini adalah tantangan besar dalam bidang ini – bagaimana kita secara efektif memisahkan jaringan molekul untuk ditransfer ke transistor?”

Pendekatan decoupling saat ini melibatkan pemindahan sistem dari kondisi vakum ultra-tinggi dan menempatkannya melalui proses kimia basah beberapa langkah, yang memerlukan pengetsaan substrat logam. Proses ini bertentangan dengan ketelitian, ketelitian bersih yang digunakan dalam membuat sistem.

Untuk menemukan proses yang akan bekerja pada substrat bukan logam, Kolmer mulai bereksperimen dengan permukaan oksida, meniru strategi yang digunakan pada logam. Akhirnya, dia beralih ke sekelompok ahli kimia Eropa yang berspesialisasi dalam kimia fluoroarene dan mulai mempelajari desain prekursor kimiawi yang memungkinkan sintesis langsung pada permukaan titanium dioksida rutil.

“Sintesis di permukaan memungkinkan kami membuat bahan dengan presisi sangat tinggi dan untuk mencapai itu, kami mulai dengan prekursor molekuler,” kata Li, penulis senior makalah yang memimpin tim di CNMS. “Reaksi yang kami butuhkan untuk mendapatkan properti tertentu pada dasarnya diprogram ke dalam prekursor. Kami tahu suhu di mana reaksi akan terjadi dan dengan menyetel suhu kami dapat mengontrol urutan reaksi. “

“Keuntungan lain dari sintesis di permukaan adalah banyaknya material kandidat yang dapat digunakan sebagai prekursor, memungkinkan tingkat programabilitas yang tinggi,” tambah Li.

Penerapan bahan kimia yang tepat untuk memisahkan sistem juga membantu mempertahankan struktur cangkang terbuka, memungkinkan peneliti mengakses tingkat atom untuk membangun dan mempelajari molekul dengan sifat kuantum yang unik. “Sangat bermanfaat untuk menemukan bahwa pita graphene ini memiliki keadaan magnet gabungan, juga disebut keadaan spin kuantum, di ujungnya,” kata Li. “Status ini memberi kami platform untuk mempelajari interaksi magnetik, dengan harapan menciptakan qubit untuk aplikasi dalam ilmu informasi kuantum.” Karena ada sedikit gangguan pada interaksi magnetis dalam bahan molekuler berbasis karbon, metode ini memungkinkan pemrograman status magnet yang tahan lama dari dalam materi.

Pendekatan mereka menciptakan pita presisi tinggi, dipisahkan dari substrat, yang diinginkan untuk aplikasi ilmu informasi spintronik dan kuantum. Sistem yang dihasilkan sangat cocok untuk dieksplorasi dan dibangun lebih lanjut, mungkin sebagai transistor skala nano karena memiliki celah pita lebar, melintasi ruang antara keadaan elektronik yang diperlukan untuk menyampaikan sinyal hidup / mati.

Kolmer baru-baru ini bergabung dengan Laboratorium Ames DOE sebagai staf peneliti.

Pekerjaan ini didukung sebagian oleh Center for Nanophase Material Sciences, yang merupakan fasilitas pengguna DOE Office of Science.

ORNL dikelola oleh UT-Battelle untuk Kantor Ilmu Pengetahuan Departemen Energi AS, pendukung tunggal penelitian dasar terbesar dalam ilmu fisika di Amerika Serikat. Kantor Sains DOE sedang bekerja untuk mengatasi beberapa tantangan paling mendesak di zaman kita. Untuk informasi lebih lanjut, silakan kunjungi https://energy.gov/science.

Diposting Oleh : https://singaporeprize.co/

About the author