Sistema de iluminación con diferentes frecuencias. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0144-z
Los científicos han desarrollado recientemente un nanointerruptor controlado por luz para sentar las bases para el desarrollo de dispositivos atómicos en nanotecnología. Diseñaron los interruptores a nanoescala en un primer paso hacia la miniaturización de dispositivos electrónicos completamente integrados. La investigación multidisciplinaria fue realizada por Weiqiang Zhang y compañeros de trabajo, y un equipo internacional de colaboradores. Los resultados del estudio ahora se publican en Luz:ciencia y aplicaciones .
En el método desarrollado por Zhang et al. la luz se puede utilizar para controlar la conductancia eléctrica en la unión entre los nanoelectrodos de oro calentando los electrones en la superficie del electrodo, en una técnica conocida como "calentamiento plasmónico". Validaron los mecanismos experimentales mediante simulaciones. El equipo de investigación expandió los electrodos mediante calentamiento plasmónico para cerrar la brecha y encender el interruptor, allanando el camino para construir transistores de molécula única y biosensores basados en nanoporos a nanoescala.
Las uniones moleculares se investigaron previamente como un enfoque para construir nanointerruptores mediante el empleo de moléculas fotocrómicas (sensibles a la luz) que cambiaban entre dos isoformas distintas. El presente trabajo de Zhang et al. comportamiento del interruptor de conductancia demostrado de manera contrastante solo con un contacto metálico desnudo, bajo iluminación ligera, sin moléculas. Demostraron la conductancia de los contactos cuánticos metálicos desnudos como interruptores reversibles en ocho órdenes de magnitud para superar sustancialmente el rendimiento de los interruptores moleculares anteriores. Los científicos pudieron ajustar el tamaño del espacio entre los dos electrodos después del proceso de cambio con una precisión inferior al angstrom. controlando la intensidad de la luz o la polarización.
IZQUIERDA:a) Se fija al sustrato un alambre metálico con una muesca en el medio. La muesca se puede estirar hasta que finalmente se rompe debido a la flexión del sustrato, que produce dos electrodos separados. b Imágenes SEM del microalambre con muescas durante el proceso de estiramiento. Barra de escala:50 μm. c Medición en tiempo real de la corriente con la luz encendida / apagada cada 50 s – 60 s. Imagen ampliada:la conductancia disminuye en pasos cuánticos en múltiplos de G0 (=2e2 / h) a medida que disminuye la intensidad de la luz. d Esquema de la disposición atómica, que corresponde a cuatro estados de conductancia con iluminación de luz. Estado 1:los dos electrodos están separados por unos angstroms (G ≪ 1 G0). Estado 2:los dos electrodos se vuelven a conectar con una iluminación ligera (G ~ 80 G0). Estado 3:los dos electrodos se estiran, y se forma una cadena de átomos de oro antes de que se rompa el nanocontacto cuando se reduce la intensidad de la luz (G ~ 1 G0). Estado 4:los dos electrodos se vuelven a separar debido a la disipación de calor ya que la luz se apaga por completo (G ≪ 1 G0). DERECHA:Fabricación de un nanocontacto. a) Configuración para cortar redondeado el alambre de metal. El alambre de metal estaba intercalado entre la hoja de un cuchillo y una plataforma de soporte. La plataforma puede moverse en las direcciones vertical (Z) y paralela (X) con una resolución de ~ 5 μm. b) Imagen SEM del nanogap después de la rotura del nanocontacto. Barra de escala:5 μm. c) Micrografía óptica del alambre metálico con una muesca en el medio. Barra de escala:imagen SEM de 50 μm (d) del alambre de metal. Barra de escala:20 μm. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0144-z.
La ingeniería de dispositivos electrónicos utilizando bloques de construcción funcionales a escala atómica es una fuerza impulsora importante en la nanotecnología para formar elementos clave en los circuitos electrónicos. que previamente fueron miniaturizados mediante túneles mecánicos, operación de voltaje / corriente de polarización y electroquímica. Los estudios anteriores no lo hicieron, sin embargo, Abordar el concepto de interruptores atómicos controlados por calentamiento plasmónico. Los plasmones de superficie son oscilaciones de electrones deslocalizados coherentes en la interfaz entre dos materiales que forman nanoestructuras metálicas, que se puede concentrar en los espacios de sublongitud de onda entre los materiales. En principio, cuando la frecuencia de resonancia de los plasmones de superficie coincide con la frecuencia de la luz incidente, la resonancia de plasmón se excita para producir una fuerte absorción de luz y un calentamiento plasmónico sustancial.
En el presente estudio, Zhang y col. utilizó este principio para mostrar cómo un metal, El contacto de escala atómica podría operarse de manera confiable como un interruptor de conductancia a través de la iluminación controlada de la luz. Para diseñar el contacto metálico a escala atómica, estiraron con precisión un nanoalambre de metal utilizando la unión de rotura controlable mecánicamente. Cuando redujeron la sección transversal del alambre de metal a unos pocos nanómetros o unos pocos átomos, el diámetro se volvió comparable a la longitud de onda de Fermi de los electrones, permitiendo que los efectos de la mecánica cuántica influyan fuertemente en las propiedades del transporte de electrones. Usando estos principios, Zhang y col. mostró cómo la conductancia de un contacto de oro atómico podía cambiarse de unos cuantos cuantos de conductancia a cientos de cuantos, y viceversa con iluminación ligera. Los científicos pudieron cambiar reversiblemente los contactos cuánticos metálicos entre el estado abierto y cerrado controlando la intensidad de la luz. Crearon un nanogap entre los contactos cuánticos dentro del cual un túnel coherente regía el transporte de electrones.
Corriente modulada por la iluminación luminosa. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0144-z.
Si bien la generación de un nanogap fue crucial para fabricar dispositivos basados en una sola molécula, diseñar una brecha de escala atómica ajustable sigue siendo un desafío importante. Aunque los tamaños de los espacios fijos no se pudieron ajustar después de la fabricación, el tamaño de la brecha podría ajustarse fácil y continuamente a través del calentamiento plasmónico a una resolución subangstrom, como lo muestran Zhang y el equipo de investigación.
Para esto, utilizaron una lámpara comercial de diodos emisores de luz (LED) como fuente de luz en los experimentos con un adaptador de CA para controlar continuamente la intensidad de la luz. La configuración experimental no requirió hardware óptico especial ni fuentes láser de alta potencia. Utilizaron un alambre de oro disponible comercialmente con una constricción en el medio sobre un sustrato de acero para resortes para construir los nanocontactos. Luego, utilizando una 'unión de ruptura controlable mecánicamente' (MCBJ), los científicos estiraron la constricción doblando el sustrato, y lo observó con imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM). Después de eso, los científicos redujeron la sección transversal de la constricción para formar dos electrodos separados. Cuando encendieron la luz la conductancia aumentó y disminuyó cuando se apagó la luz; la gran conductancia resultante de la iluminación de la luz reconectó fuertemente los dos electrodos separados.
Los científicos analizaron el fenómeno a nivel de disposición atómica, sobre iluminación ligera. Demostraron que los nanogaps tenían una fuerte absorción de luz en las regiones visible e infrarroja cercana debido a resonancias de plasmones superficiales localizados (LSPR). Cuando la frecuencia de la luz LED coincidió con la frecuencia de oscilación de los electrones libres y el campo electromagnético en la punta de los electrodos, el LSPR alrededor de la brecha estaba emocionado. La luz absorbida luego se convirtió en energía térmica causando la expansión de nanoelectrodos y su reconexión. La conductancia alcanzó su valor máximo cuando el sistema estaba en equilibrio térmico. Cuando se apagó la luz, los electrones se separaron una vez más.
Dependencia de la conductancia de la luz incidente. a) Medición en tiempo real de la conductancia sobre las iluminaciones de luz LED en el régimen de tunelización. Vbias =1 mV. b) Esquema de la variación del tamaño del espacio con la iluminación de la luz. Las líneas punteadas indican la nueva posición de los nanoelectrodos tras la iluminación LED. c) La conductancia de la brecha de tunelización depende de la polarización del láser. Cuando se emplea un láser p-polarizado (rosa), la conductancia es aproximadamente dos veces mayor que la conductancia cuando se emplea un láser polarizado en S (naranja). La longitud de onda central del láser es de 640 nm con un ancho de banda de 5,7 nm, y la densidad de potencia máxima del láser es de 0,5 mW / mm2. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0144-z.
Para comprender cómo la conductancia dependía de la intensidad de la luz, Los científicos realizaron experimentos en los que la intensidad máxima de luz dentro de cada círculo iluminado aumentaba gradualmente. Zhang y col. mostró que la conductancia máxima en cada círculo aumentaba aproximadamente linealmente con la intensidad de la luz. Obtuvieron datos repetibles de la corriente en función de la intensidad de la luz y mostraron cómo la conductancia del contacto cuántico, podría ser regulado por la intensidad de la luz.
Caracterización de dispositivos MCBJ y simulación de distribución de expansión de los electrodos al iluminarse con luz. a) Sistema de medición de espectroscopia óptica. b) Espectros de dispersión de campo oscuro medidos del área del hueco que emplea tres muestras diferentes. El tamaño del espacio es ~ 2 nm en la muestra A y ~ 0,2 nm en la muestra B. Los electrodos se volvieron a conectar fuertemente, y no se observa nanogap en la muestra C. Las resonancias plasmónicas están indicadas por las flechas. c) Modelo utilizado en la simulación. Se consideraron partes del gran alambre de metal cerca de las nanotipias. El tamaño del espacio entre dos nanotips se establece inicialmente en 2 nm. La polarización de la luz incidente es paralela al eje x. d) Distribución de la expansión (en componente X) cuando se estableció la temperatura de equilibrio. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0144-z.
Zhang y col. también observó cómo el tamaño del nanogap podría ser modulado con precisión por la luz al mostrar que la conductancia podría modificarse en la región de tunelización, entre el espacio de los dos electrodos, controlando la luz LED. Cuando se fijó la intensidad de la luz, podrían mantener constante la corriente de túnel durante más tiempo. Los científicos calcularon la distancia entre los dos electrodos utilizando la ecuación de Simmons; utilizado para describir la relación entre la corriente de túnel y el tamaño de la brecha de túnel. Por lo tanto, podrían controlar con precisión la distancia entre los dos electrodos separados con una precisión inferior al angstrom utilizando la intensidad de la luz.
Para confirmar que el origen del comportamiento de conmutación fue el calentamiento inducido por plasmón en los sistemas plasmónicos a nanoescala, los científicos investigaron el espectro de dispersión de las muestras de MCBJ para revelar la frecuencia de resonancia plasmónica. Los resultados indicaron que el cambio de conductancia se relacionó con la expansión de los electrodos debido al calentamiento plasmónico. Zhang y col. también realizó simulaciones del método de elementos finitos para estimar la expansión de los electrodos y resolvió la distribución del campo eléctrico, distribución de temperatura y expansión térmica en iluminación lumínica, utilizando el paquete de programa COMSOL Multiphysics. La simulación calculó el desplazamiento máximo de los electrodos en aproximadamente 0,4 nm. Zhang y col. pudieron optimizar aún más la frecuencia de conmutación optimizando las dimensiones características para la transferencia de calor. De este modo, los científicos demostraron experimentalmente que los interruptores atómicos se podían operar rápidamente mediante calentamiento plasmónico.
Sistema de iluminación con diferentes frecuencias. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0144-z
El trabajo demostró la geometría atómica de los contactos cuánticos metálicos que podrían modularse con la luz y la capacidad de invertir el interruptor (encendido / apagado, viceversa) su conductancia usando calentamiento plasmónico. Si bien se observó claramente la separación átomo por átomo de los electrodos, también podrían ajustar el tamaño de la brecha, entre los electrodos a una resolución subangstrom controlando la intensidad de la luz. Zhang y col. demostró que el plasmón puede superar potencialmente el límite de difracción de la luz para realizar el nanofoco, transferir el interruptor atómico controlado por plasmón para realizar nanodispositivos altamente integrados; abriendo un nuevo camino para diseñar dispositivos nanoelectrónicos.
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