Árbol de decisiones para la ingeniería atómica. pi → k representa la probabilidad de un proceso dinámico desde una configuración inicial i hasta la configuración final k. Los físicos asumieron que los ángulos de incidencia de los electrones θe y φe son fijos durante toda la operación. El estado delineado en rojo indica el estado final deseado. Los círculos rojos indican los átomos de destino de la irradiación de electrones. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aav2252
La ingeniería atómica puede inducir selectivamente una dinámica específica en átomos individuales seguida de pasos combinados para formar ensamblajes a gran escala a partir de entonces. En un nuevo estudio ahora publicado en Avances de la ciencia , Cong Su y un internacional, equipo interdisciplinario de científicos en los departamentos de Ciencia de Materiales, Electrónica, Física, Nanociencia y tecnología optoelectrónica; Primero examinó la dinámica de un solo paso de los dopantes de grafeno. Luego desarrollaron una teoría para describir las probabilidades de resultados configuracionales basados en el impulso de un átomo de reacción primario posterior a la colisión en una configuración experimental. Su et al. mostró que la proporción de ramificación predicha de la transformación configuracional concordaba bien con los experimentos de un solo átomo. Los resultados sugieren una forma de sesgar la dinámica de un solo átomo hacia un resultado de interés y allanarán el camino hacia el diseño y la ampliación de la ingeniería atómica mediante la irradiación de electrones.
Controlar la estructura atómica exacta de los materiales es una forma definitiva de ingeniería atómica. La manipulación atómica y el ensamblaje átomo por átomo pueden crear estructuras funcionales que son sintéticamente difíciles de realizar colocando exactamente los dopantes atómicos para modificar las propiedades de los nanotubos de carbono y el grafeno. Por ejemplo, en informática cuántica, se pueden incorporar dopantes de nitrógeno (N) o fósforo (P) debido a su espín nuclear distinto de cero. Para llevar a cabo con éxito la ingeniería atómica experimental, los científicos deben (1) comprender cómo se puede inducir un cambio configuracional local deseable para aumentar la velocidad y la tasa de éxito del control, y (2) escalar los procesos unitarios básicos en ensamblajes estructurales factibles que contienen de 1 a 1000 átomos para producir la funcionalidad deseada.
Los investigadores habían utilizado previamente la microscopía de túnel de barrido para demostrar una buena, control gradual de átomos individuales para obtener conocimientos fisicoquímicos y avances técnicos. Sin embargo, la escalabilidad y el rendimiento de la técnica se vieron severamente limitados por los movimientos mecánicos de la sonda y, por lo tanto, los investigadores introdujeron la microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) con corrección de aberraciones como una herramienta versátil para caracterizar la estructura atómica precisa de los materiales. Aunque todavía se encuentra en las primeras etapas de desarrollo, la técnica se muestra más prometedora para controlar materiales a nivel de átomos. En grafeno bidimensional (2-D), por ejemplo, los dopantes de silicio se podían controlar paso a paso para iterar los pasos básicos que permitían el movimiento de largo alcance con alto rendimiento. También se observaron resultados similares en un cristal de silicio tridimensional.
Con la ingeniería atómica basada en STEM, los científicos tienen como objetivo utilizar el haz de electrones y lograr un cambio de configuración deseado. Los inconvenientes del método incluyen una comprensión imprecisa de las colisiones relativistas entre electrones y núcleos, excitación y relajación electrónica, trayectorias dinámicas de iones e incertidumbres añadidas.
Ilustración de la dinámica de los dopantes P experimentales en competencia en el grafeno y su control. Los marcos son imágenes anulares de campo oscuro de ángulo medio, y la identidad química de cada dopante se confirmó mediante espectroscopía de pérdida de energía de electrones (EELS). (A) Tres cuadros que muestran un intercambio directo entre el átomo P más brillante (debido a su mayor contraste de dispersión) y un vecino C, con la inicial (fotograma 1), transición (cuadro 2), y configuraciones finales (cuadro 3). Las líneas discontinuas blancas y negras indican la fila del rayo de exploración cuando ocurre el intercambio. Velocidad de escaneo, 8,4 s por fotograma. No se realizó ningún procesamiento posterior. (B) Cuatro cuadros que muestran tanto el intercambio directo (cuadros 1 y 2) como la transición SW (cuadros 2 a 4). Barras de escala, 2 Å. Velocidad de escaneo, 0.07 s por cuadro. Se aplicó un filtro mediano con un núcleo de 2 píxeles × 2 píxeles para mayor claridad. La transición SW se capturó durante la adquisición de EELS en pequeñas ventanas de subescaneo para mejorar la relación señal / ruido de los espectros utilizados para identificar los dopantes y para lograr cuadros de velocidad de escaneo más rápidos que pueden capturar mejor la dinámica atómica. (C) Átomo de C vecino eliminado por el haz de electrones, convertir una P triple coordinada en una P. cuatro veces coordinada Velocidad de escaneo, 8 s por fotograma. No se realizó ningún procesamiento posterior. (D) El dopante P se reemplaza por un átomo de C. Velocidad de escaneo, 4 s por fotograma. Las diferentes codificaciones de color de la imagen representan diferentes categorías:el gris representa el proceso de conservación de átomos y el magenta representa el proceso de no conservación de átomos. Los círculos punteados azules y rojos en (A) y (B) representan los sitios de celosía desiguales del grafeno, y los círculos de puntos verdes en (C) y (D) indican la ubicación del átomo que no se ha conservado. (E y F) control intencional sobre el intercambio directo del átomo de P. Las cruces amarillas indican la ubicación donde se detuvo el haz de electrones durante 10 s para mover a propósito el átomo de P en un sitio de red. Los círculos punteados verdes y azules indican los dos sitios de retículas no equivalentes del grafeno. Recuadros:la región de interés después de aplicar un filtro gaussiano, (G) un diagrama esquemático del proceso de control, donde el haz de electrones está representado por un cono verde enfocado en el átomo de C vecino. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aav2252
En el presente trabajo, Su et al. utilizó STEM para impulsar e identificar el movimiento de los átomos en los dopantes de fósforo (P) individuales dentro del grafeno. Seguido de la construcción de un esquema teórico para probar las probabilidades relativas de los dopantes, en comparación con la detección de energía y momento de los electrones. Clasificaron la dinámica en cuatro grupos:
Mecanismos de dinámica de dopantes P en grafeno calculados con abMD. (A a C) Mapas de distribución angular de diferentes transformaciones de celosía posibles obtenidas cuando un vecino C de la impureza P recibe un momento inicial fuera del plano. Las energías cinéticas iniciales correspondientes sobre el carbono, MI, son (A) 15.0, (B) 16,0, y (C) 17,0 eV. Las marcas en estos gráficos polares indican el resultado dinámico:C knockout como triángulos rojos, intercambio directo como cuadrados azules, Transiciones SW como círculos magenta, y celosía inalterada como cruces negras. Como ejemplos, instantáneas de (D) transición SW (θ =20 °, φ =75 °, E =15,0 eV), (E) C knockout (θ =20 °, φ =180 °, E =17,0 eV), (F) intercambio directo (θ =0 °, E =17,0 eV), y (G) estructura sin cambios (θ =25 °, φ =285 °, E =15.0 eV) se muestran. Las flechas rojas indican la dirección del momento C a lo largo de las direcciones en el plano y normal al plano (longitudes no a escala), con la definición de los ángulos de coordenadas esféricas θ y φ que se muestran en (G). (H) Barrera cNEB para un mecanismo propuesto de reemplazo de dopante P por C. Recuadros:El inicial, punto de silla de montar y configuraciones finales. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aav2252
Los científicos utilizaron un haz de energía de electrones de 60 eV y maximizaron las tasas de intercambio directo y transición SW durante la colisión electrón-átomo. Su et al. utilizó carbono como átomo de detonación primario (PKA) en los experimentos y mantuvo una energía de colisión post-electrónica de la PKA del orden de 10 eV. En los experimentos, no apuntaron el haz de electrones directamente al dopante en sí, en lugar de apuntar al carbono vecino del dopante.
Su et al. luego desarrolló un esquema teórico en el estudio conocido como "knock-on-space primario" (PKS) para estimar las secciones transversales de dispersión relativa de diversas dinámicas inducidas por electrones. Los resultados podrían variar debido a la inclinación del haz de electrones o de la muestra para activar selectivamente el resultado deseado. Los científicos proporcionaron una verificación experimental adicional de los cálculos, abriendo nuevas vías para la ingeniería atómica con irradiación focalizada de electrones.
Comparación de la dinámica de diferentes elementos de impurezas. (A) Comparación de los rangos de energía de intercambio directo entre Al, Si, y P para colisión frontal (θ =0 °). (B) Experimentalmente, se observó la eliminación de un dopante de Al y dos átomos de carbono cercanos después de 7 min de radiación continua a 60 keV, correspondiente al umbral de desplazamiento bajo predicho en (A). Los círculos rojos marcan los átomos desplazados en el segundo cuadro. (C) Las barreras de energía (Ea) del cambio de configuración de las estructuras 55-77 a la celosía prístina se ilustran para varios elementos (C, 4,6 eV; NORTE, 3,6 eV; B, 2,4 eV; PAG, 1,6 eV; Si, 0,8 eV; Alabama, 0,2 eV). Recuadro:la definición de Ea en el perfil energético de la transición SW, donde se pueden encontrar las curvas originales en la fig. S4. (D) Una transición SW observada experimentalmente de un dopante N a 60 keV. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aav2252
En la práctica, los científicos tienen como objetivo controlar con precisión los átomos y sus estados electrónicos o nucleares para aplicaciones en relojes atómicos y dispositivos de memoria atómica. La visión a largo plazo de la ingeniería atómica es posicionar con precisión átomos individuales en los estados internos deseados para incluir el espín nuclear, luego imaginen y controlen los ensamblajes atómicos de 1 a 1000 átomos.
Su et al. realizado varias dinámicas atómicas en el presente trabajo, que categorizaron como dinámica de conservación de átomos (deseada) o dinámica de no conservación de átomos (no deseada). Para la dinámica de conservación de átomos, incluían (A) el intercambio directo entre fósforo (dopante) y carbono. (B) Transición SW con rotación de 90 grados de un enlace P-C, donde la dinámica de conservación de átomos incluyó un knockout de carbono. Luego, para la dinámica no conservadora de átomos, los científicos incluyeron (C) la eliminación de PKA usando un haz de electrones y (D) el reemplazo del átomo dopante.
Para explicar los procesos atómicos, Los científicos realizaron extensas simulaciones de dinámica molecular ab-initio (abMD) y cálculos de banda elástica de imagen escalada (cNEB). Visualizaron la distribución de una variedad de dinámicas de dopantes P en correspondencia con las energías cinéticas iniciales posteriores a la colisión de la PKA en el grafeno. Los científicos indujeron una serie de colisiones con electrones enfocados mediante simulación, esperando llegar experimentalmente a una configuración prediseñada controlando los haces de electrones para la evolución configuracional atómica, con relativa facilidad.
PKS:esquema para evaluar secciones transversales de diferentes procesos dinámicos. (A) El sistema de coordenadas esféricas utilizado para describir el PKS (con θ y φ definiendo la dirección del momento, y el radio que define la energía cinética poscolisión, MI, del vecino C). (B) Una sección transversal vertical del PKS que muestra la distribución de la función f (denominada "ovoide" de aquí en adelante) para el haz de electrones de 60 keV ascendente (θ˜e =0 °) que interactúa con un PKA en movimiento (E˜ =0 a 1 eV). (C) El ovoide de una PKA vibratoria (usamos E˜ =0.5 eV aquí para la ilustración ampliada) se cruza con diferentes áreas de resultado, donde en (D), las intersecciones se proyectan en un diagrama polar. Las áreas magenta marcadas con ayc representan transiciones SW (en sentido horario y antihorario, respectivamente), y el área azul marcada con b representa el intercambio directo. (E) Un árbol de decisiones que muestra los posibles resultados de la interacción átomo-electrón, donde la probabilidad de atravesar cada camino es proporcional a las secciones transversales. (F) El PKS y el ovoide de un haz de electrones inclinado (θ˜e =17.2 °, φ˜e =15 °) actuando sobre una PKA vibratoria (E˜ =0.5 eV), con (G) mostrando una intersección diferente proyectada a la gráfica polar. Aquí, solo se activan las transiciones SW en sentido horario, marcado con d en el área magenta. (H) Una transición SW en sentido horario observada experimentalmente de un dopante Si activado en una muestra inclinada como en (F) y (G). Tres etapas correspondientes se colocan junto al árbol de decisiones en (E), donde los estados experimentales están marcados por cuadrados negros, y el camino observado está indicado por las ramas más gruesas. Campo de visión:1 nm × 1 nm. (I) Una vista lateral en perspectiva del haz de electrones inclinado con respecto al plano del grafeno. La muestra se mantuvo inclinada de esta manera a lo largo de todos los fotogramas en (H). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aav2252
En el estudio, los científicos comenzaron con un estado configuracional inicial I inicial que fue fotografiada con precisión en su trayectoria deseada de configuraciones intermedias para finalmente llegar a I final ; muy parecido al cubo de Rubik pero con probabilidades. Su et al. equilibró el "riesgo" y la "velocidad" al jugar el juego, ya que el sistema atómico podría contener estados trampa (I trampa ) para retrasar severamente la llegada de la configuración atómica a I final o hacer improbable su logro. Los científicos también compararon la naturaleza probabilística del proceso con un juego de fútbol; donde utilizaron la predicción computacional y la tasa de transición absoluta para diseñar de manera óptima el riesgo / aceleración total en el experimento.
Dado que el proceso de predecir y comparar las secciones transversales de dispersión de los procesos dinámicos es esencial para la ingeniería atómica, Su et al. desarrolló un formalismo PKS (knock-on-space primario). Basado en esto, los científicos demostraron que la distribución del impulso de PKA tenía un perfil ovoide después de una colisión de electrones, donde la forma cambió en relación con la energía y la dirección de un electrón entrante y debido al momento anterior a la colisión del átomo. Los científicos proponen el uso del aprendizaje automático y la inteligencia artificial, comprender la unidad y los procesos de montaje en el futuro. En el presente trabajo, los científicos utilizaron un árbol de decisiones para predecir los posibles caminos de evolución durante la ingeniería atómica, donde el nodo raíz indicó la estructura inicial y los nodos secundarios infirieron los siguientes resultados posibles.
De este modo, Su et al. reveló la física de la ingeniería atómica y utilizó un marco computacional / analítico como base para desarrollar técnicas adicionales para controlar la dinámica de un solo átomo en materiales 3-D. Los científicos tienen como objetivo, en última instancia, escalar múltiples átomos a partir de un solo átomo para ensamblar de 1 a 1000 átomos en una configuración deseada a alta velocidad y eficacia.
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