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科技实时动态:物理学家观察到长期寻求的纳米级现象

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但在两位内布拉斯加州物理学家的帮助下,一支国际研究团队终于完成了这项任务 - 结束了近15年的探索,以观察一种可以帮助动力并使未来一代电子产品小型化的现象。

2004年,研究人员通过由氧化物制成的纳米夹层二维地观察到电子气体:含有氧原子的化合物。这种二维电子气的证明表明了将电流限制在较小空间的希望,反过来又将电子元件缩小到较小的尺度。

然而,带负电的电子有一个对应物 - 一个带正电荷的“洞”,当它从原子轨道射出时会留下。因此,物理学家开始创造和观察同样充当电流源的二维空气。

正如“ 自然材料 ”杂志所详述的那样 ,来自威斯康星大学麦迪逊分校和内布拉斯加大学林肯分校的研究人员在实现这一长期追求的壮举方面处于领先地位。这样做需要几年完善成分和准备。内布拉斯加州的Evgeny Tsymbal和Tula Paudel通过大学的荷兰计算中心进行了以理论为基础的计算和建模,为后者提供了信息。

配方本身似乎很简单。为了产生二维电子气,研究人员先前在中性基底上堆积了带正电的氧化物层,发现带负电的电子向下聚集到两者之间的纳米级空间。通过在正切片顶部添加带负电的层,然后用另一个中性层覆盖纳米三明治,研究人员希望看到带正电的空穴通过向上迁移形成他们自己的二维气体来模仿这种行为。

他们拒绝了。为什么?氧原子正在放弃它们的位置,它们带正电的空位 - 无法产生电流 - 阻止了空穴向上移动。

“我们研究了不同浓度的氧空位,这些缺陷的不同位置以及行为如何变化(因此),”乔治霍姆斯大学物理与天文学教授Tsymbal说。

研究小组发现,只要那些处于厚重状态的人保持稳定,它就可以消除一些缺氧原子。

“定位很重要,”执行大部分计算的研究助理教授保德尔说。“你不希望在你应该有二维空气气体的地区附近的氧空位。”

这些见解,结合纳米三明治中每个切片厚度的精确规格,在威斯康星州进行了实验。通过原子逐层构建这些切片 - 比其他许多类型的材料更容易用氧化物制造 - 并且在加压,富氧环境中制造材料以最大限度地减少空位,威斯康星州的研究人员成功地生产和表征了二维空穴气体。

关注此空间

几十年来,工程师们用半导体材料制造了大部分电子元件,例如硅,这是业界的主力。

“问题是我们正在接近基本限制,”内布拉斯加州材料研究科学与工程中心主任Tsymbal说。“在某个时刻(很快),我们将接近某些限制,超出这个限制,我们无法继续(跟随)半导体路线图,就像我们之前那样。因此,我们需要从概念上改变设备的运行方式。“

其中一个限制是空间。将更多功能 - 例如存储器 - 塞进更小更小的设备中的竞赛让工程师们不得不关注氧化物和其他材料,这些材料结合起来可以将导电性挤压到最严格的范围内。这项新研究利用了一种名为钛酸锶的氧化物--Tsymbal所称的“氧化物电子硅” - 来实现这一目标。

“这里的优点是限制 - 这种二维电子或空穴气体的厚度 - 与半导体相比要小得多,”Tsymbal说。“而不是,例如,数十纳米,我们可以将它限制在一纳米。因此,原则上,与半导体电子产品相比,我们可以使器件更小。“

虽然钛酸锶及其氧化物兄弟通常不会自身表现出磁性,但它们有时会结合使用。它们甚至显示出超导的潜力 - 没有任何阻力的电流 - 以及其他对电气和计算机工程师有吸引力的特性。

作为理论家,Tsymbal和Paudel对可能通过相同材料平行流动的二维电子和空气气体产生的现象感兴趣。其中包括:将电子和空穴配对成粒子状的激子,这些激子的行为与单独的大集体不同。

“具有这些互补二维气体的氧化物现在可能开始作为纳米实验室,在其中创造和研究新的物理学,”Paudel说。

Tsymbal表示,这些现象最终如何应用仍然是一个悬而未决的问题,但值得探讨的一个问题。

“当研究人员在60多年前开始研究半导体时,没有人知道它们会成为现代技术的核心,”Tsymbal说。“在这一点上,氧化物电子学正处于基础研究的水平,因此很难预测它们的发展方向。

“但你可以极其精确地控制氧化物界面。一旦你拥有了这个,你可以做一些类似于半导体实现的事情 - 但也许还有别的东西。“

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