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智慧的研究人员在量子电子学方面取得突破

2017年1月31日编辑器的选择新闻电子科技

通过他们的工作,该小组报告了第一个可以解释无序碳超晶格中基本电子输运性质的理论模型。

超晶格由只有几纳米厚的极薄半导体交替层组成。这些层非常薄,以至于这些设备的物理特性受制于量子力学,在量子力学中,电子的行为就像波一样。从传统电子设备的范式转变来看,利用超晶格的量子特性有望开发新技术。

由Somnath Bhattacharyya教授领导的这个小组在过去的10年里一直致力于开发碳基纳米电子器件。他说:“碳是电子领域的未来,它很快将挑战包括硅在内的许多其他半导体。”

Bhattacharyya在加入Wits大学之前的近10年前就开始研究将碳用于半导体应用,当时他和来自萨里大学的合著者开发并演示了由非晶碳层组成的量子器件的负微分电阻和出色的高频特性。这项工作于2006年发表在《自然材料》杂志上。

碳超晶格的物理性质比晶体超晶格(如砷化镓)更复杂,因为材料是无定形的,碳原子倾向于形成链和网络。Wits团队与英国萨里大学(University of Surrey)的研究人员合作,开发了一种详细的理论方法来理解从碳器件获得的实验数据。该论文于去年10月发表在《科学报告》(自然出版集团)上。

论文的第一作者,罗斯·麦金托什。
论文的第一作者,罗斯·麦金托什。

“这项工作提供了对碳超晶格基本量子性质的理解,我们现在可以用它来设计特定应用的量子器件,”该研究的主要作者、Wits的博士生Ross McIntosh说。“我们的工作为未来研究碳超晶格的高频电子和光电子特性提供了强大的推动力。”

麦金托什在荣誉级别上接受了测量碳超晶格器件的电学性质的机会。现在,作为一名博士生,他与理论家Mikhail V. Katkov博士进行了广泛的工作,他扩展了理论框架,并开发了一种技术来计算这些器件的传输特性。

Bhattacharyya认为这项工作将对开发碳基高频器件具有巨大的重要性。他认为:“这不仅会开启碳材料的基础研究,还会在电子和光电子器件领域有工业应用。”

超晶格目前被用作最先进的高频振荡器和放大器,并开始在太赫兹范围内作为探测器和发射器在光电子中使用。虽然传统半导体的高频电学和光电特性受到用于改变其电子特性的掺杂剂的限制,但超晶格的特性可以在更大范围内进行调谐,从而创造出在传统器件无法实现的环境下工作的器件。

由非晶碳层构成的量子阱的原子示意图。蓝色原子代表非晶态碳,其中类金刚石碳的比例较高。这些栗色原子代表类似石墨的无定形碳。类金刚石区域具有较高的电势(金刚石是绝缘的),而类石墨区域更具金属性。由于类金刚石区域中相对较高的电势,电子被限制在类石墨区域内,从而产生了量子阱。超晶格是由一系列量子阱组成的。在下图中,通过菱形区域的栗色链代表聚合物链,这是碳超晶格特有的特征,而绿色原子代表氮杂质。
由非晶碳层构成的量子阱的原子示意图。蓝色原子代表非晶态碳,其中类金刚石碳的比例较高。这些栗色原子代表类似石墨的无定形碳。类金刚石区域具有较高的电势(金刚石是绝缘的),而类石墨区域更具金属性。由于类金刚石区域中相对较高的电势,电子被限制在类石墨区域内,从而产生了量子阱。超晶格是由一系列量子阱组成的。在下图中,通过菱形区域的栗色链代表聚合物链,这是碳超晶格特有的特征,而绿色原子代表氮杂质。

超晶格电子器件可以在更高的频率下工作,而光电器件可以在比传统器件更低的频率下工作。太赫兹发射器和探测器的缺乏导致了电磁波谱区域的一个间隙(称为“太赫兹间隙”),这是一个显著的限制,因为许多生物分子在这个区域是活跃的。这也限制了太赫兹射电天文学。

非晶碳器件强度极高,可以在高电压下工作,在世界上大多数实验室中都可以开发,不需要复杂的纳米制造设备。新的碳基设备可以应用于生物学、空间技术、科学基础设施,如广场

南非的公里阵列(SKA)望远镜,以及新的微波探测器。新利18官网app

Bhattacharyya解释道:“早期缺乏的是对设备建模的理解。“如果我们有了一种模式,我们就可以提高设备质量,这就是我们现在拥有的。”

关于Wits纳米传输物理实验室

Wits纳米运输物理实验室(NSTPL)成立于2009年,由Somnath Bhattacharyya教授领导,当时João Rodrigues教授是南非Witwatersrand大学物理学院的院长。新利18官网app该系被认为是非洲大陆领先的物理学校,在单一校区拥有最大的学术人员之一。

自实验室开放以来,NSTPL不断努力,建立了一个拥有世界一流制造和测量设备的设施,这一倡议得到了NRF、CSIR、Wits研究室和DST/NRF强材料卓越中心等研究实体的大力支持。

NSTPL配备了各种复杂的合成设备,以及一个低温微操纵探测器站,可以在接近绝对零度的温度下进行敏感的量子输运测量。NSTPL还拥有一个完全可用的电子束光刻扫描电子显微镜,用于制造基于这些碳材料的纳米级器件。

目前一些值得注意的项目包括使用超分子gd功能化碳纳米管制造自旋电子器件,制造石墨烯场效应晶体管,以及最近在掺硼金刚石中观察到的非常规超导性的研究。NSTPL小组还发表了一些由Mikhail Katkov博士和Dmitry Churochkin博士领导的关于无序在碳系统量子输运中的作用的理论研究论文。这些不同的主题构成了该小组所采取的更广泛的方向的一部分,即研究碳材料的物理性质,希望在量子信息系统和对空间探索有价值的探测器设备中找到应用。

更多信息请联系Schalk Mouton, Wits University, +27 (0)11 717 1017,schalk.mouton1@wits.ac.za





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