El control es un desafío constante para los científicos de materiales, que siempre buscan el material perfecto, y la forma perfecta de tratarlo, para inducir exactamente la actividad electrónica u óptica correcta requerida para una aplicación determinada.

Un desafío clave para modular la actividad en un semiconductor es controlar su banda prohibida. Cuando un material se excita con energía, decir, un pulso de luz, cuanto mayor sea su banda prohibida, cuanto más corta es la longitud de onda de la luz que emite. Cuanto más estrecha sea la banda prohibida, cuanto más larga sea la longitud de onda.

Como los dispositivos electrónicos y los dispositivos que los incorporan, los teléfonos inteligentes, portátiles y similares, se han vuelto cada vez más pequeños, los transistores semiconductores que los alimentan se han encogido hasta el punto de no ser mucho más grandes que un átomo. No pueden hacerse mucho más pequeños. Para superar esta limitación, Los investigadores están buscando formas de aprovechar las características únicas de las matrices de cúmulos atómicos a nanoescala, conocidas como superredes de puntos cuánticos, para construir componentes electrónicos de próxima generación, como sistemas de información cuántica a gran escala. En el reino cuántico la precisión es aún más importante.

Una nueva investigación realizada por el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de California en Santa Bárbara revela un avance importante en los materiales de superredes de precisión. Los hallazgos del profesor Kaustav Banerjee, su Ph.D. estudiantes Xuejun Xie, Jiahao Kang y Wei Cao, El becario postdoctoral Jae Hwan Chu y colaboradores de la Universidad Rice aparecen en la revista. Informes científicos de la naturaleza .

La investigación de su equipo utiliza un haz de electrones enfocado para fabricar una superrejilla de puntos cuánticos a gran escala en la que cada punto cuántico tiene un tamaño predeterminado específico colocado en una ubicación precisa en una hoja atómicamente delgada de molibdeno semiconductor bidimensional (2-D). disulfuro (MoS2). Cuando el haz de electrones enfocado interactúa con la monocapa de MoS2, convierte esa área, que tiene un diámetro del orden de un nanómetro, de semiconductora a metálica. Los puntos cuánticos se pueden colocar a menos de cuatro nanómetros de distancia, para que se conviertan en un cristal artificial, esencialmente un nuevo material 2-D donde la banda prohibida se puede especificar a pedido, de 1,8 a 1,4 electronvoltios (eV).

Esta es la primera vez que los científicos han creado una superrejilla bidimensional de gran área (cúmulos atómicos a nanoescala en una cuadrícula ordenada) en un material atómicamente delgado en el que tanto el tamaño como la ubicación de los puntos cuánticos se controlan con precisión. El proceso no solo crea varios puntos cuánticos, pero también se puede aplicar directamente a la fabricación a gran escala de superredes de puntos cuánticos 2-D. "Podemos, por lo tanto, cambiar las propiedades generales del cristal 2-D, "Dijo Banerjee.

Cada punto cuántico actúa como un pozo cuántico, donde ocurre la actividad de los huecos de electrones, y todos los puntos de la cuadrícula están lo suficientemente cerca entre sí para garantizar interacciones. Los investigadores pueden variar el espaciado y el tamaño de los puntos para variar la banda prohibida, que determina la longitud de onda de la luz que emite.

"Con esta técnica, podemos diseñar la banda prohibida para que coincida con la aplicación, ", Dijo Banerjee. Las superredes de puntos cuánticos se han investigado ampliamente para crear materiales con bandas sintonizables, pero todas se hicieron utilizando métodos" de abajo hacia arriba "en los que los átomos se combinan de forma natural y espontánea para formar un macroobjeto. Pero esos métodos lo hacen inherentemente difícil diseñar la estructura de celosía como se desee y, por lo tanto, para lograr un rendimiento óptimo.

Como ejemplo, dependiendo de las condiciones, la combinación de átomos de carbono produce solo dos resultados en forma general (o 3-D):grafito o diamante. Estos no se pueden 'sintonizar' y, por lo tanto, no pueden hacer nada intermedio. Pero cuando los átomos pueden posicionarse con precisión, el material se puede diseñar con las características deseadas.

"Nuestro enfoque supera los problemas de aleatoriedad y proximidad, permitiendo el control de la banda prohibida y todas las demás características que podría desear que tenga el material, con un alto nivel de precisión, ", Dijo Xie." Esta es una nueva forma de hacer materiales, y tendrá muchos usos, particularmente en aplicaciones de comunicación y computación cuántica. Los puntos de la superrejilla están tan cerca unos de otros que los electrones están acoplados, un requisito importante para la computación cuántica ".

El punto cuántico es teóricamente un "átomo" artificial. La técnica desarrollada hace posible dicho diseño y "sintonía" al permitir el control de arriba hacia abajo del tamaño y la posición de los átomos artificiales a gran escala.

Para demostrar el nivel de control alcanzado, los autores produjeron una imagen de "UCSB" enunciada en una cuadrícula de puntos cuánticos. Usando diferentes dosis del haz de electrones, pudieron hacer que diferentes áreas de las iniciales de la universidad se iluminaran en diferentes longitudes de onda.

"Cuando cambia la dosis del haz de electrones, puede cambiar el tamaño del punto cuántico en la región local, y una vez que hagas eso, puede controlar la banda prohibida del material 2-D, "Banerjee explicó." Si dices que quieres una banda prohibida de 1,6 eV, Puedo dartelo. Si quieres 1,5 eV, Yo puedo hacer eso, también, comenzando con el mismo material ".

Esta demostración de banda prohibida directa sintonizable podría marcar el comienzo de una nueva generación de dispositivos emisores de luz para aplicaciones fotónicas.