Дьявол в мелочах. Этой фразой можно очень коротко и точно описать процесс поисков новых строительных кирпичиков современных технологий. Ведь даже ядерное оружие со всей его разрушающей мощью создано на основе процессов протекающих на атомарном уровне.

Сегодня мы будем с вами знакомиться с исследованием, также затрагивающим атомы, но не для применения их для разрушения, а для созидания. А именно об управлении электронами и их поведением, что поможет развитию технологий квантовых вычислений и искусственных нейронных сетей. Как ученым удалось, так сказать, посадить электрон на поводок и выгуливать его по заданному пути мы узнаем из их доклада.

Основа исследования

За последние несколько лет было далеко не одно исследование в сфере манипуляций с электронами, их свойствами, поведением и состоянием. Многие ученые считают это направление очень перспективным, другие так вообще называют его фундаментально важным для будущих технологий. В таком случае возникает закономерный вопрос — чем данное исследование отличается от предшественников? Исследователи дают довольно четкий ответ — напряжение смещения. Предшествующие исследования полагались именно на него, достигая контроля над электроном, точнее над процессом перехода зарядов. Таким образом достигался незначительный туннельный ток, а манипуляции с зарядом осуществлялись посредством переноса индивидуальных электронов.

В случае сегодняшнего исследования процедура была изменена. Ученым удалось получить контроль над зарядом внутри атомной наноструктуры, основанной на одноэлектронных событиях, но уже без необходимости применять напряжение смещения.

Пример кремниевых ненасыщенных связей

Материальной основой исследования стали кремниевые ненасыщенные связи (далее НС) на пассивированной водородом поверхности Si(100)-2х1. Ученые отмечают, что использование кремния имеет определенные преимущества. Основным является электронная изолированность ненасыщенных связей от подложки, что позволяет им локализовать заряд без применения тонкого слоя изолятора между основной структурой и подложкой. Использование изоляционного слоя часто применялось ранее. Вот мы нашли еще одно отличие нынешнего исследования от предшественников. А вот точные интервалы между НС были получены за счет кристаллической решетки.

Как уже упоминалось ранее, другие исследователи применявшие напряжение смещения или даже заряженные НС для смещения заряда. Тут же подход более механический. Заключается он в использовании щупа, который напрямую манипулирует положением равновесия атома, что позволяет этому атому стать носителем отрицательного заряда. Таким образом, отсутствие напряжения смещения и близкодействующее взаимодействие между щупом и атомом позволяют достичь контроля над индивидуальным электроном.

Проведение экспериментов

В качестве основного инструмента данного исследования выступил атомно-силовой/туннельный микроскоп Omicron LT, работающий при температуре 4.5 К и сверхвысоком вакууме ( < 1 х10^-10 торр).

Микроскоп Omicron LT

Иглы микроскопа были изготовлены из поликристаллического вольфрамового провода, который был химически вытравлен, заточен фокусированным ионным лучом и прикреплен к qPlus сенсору.

Схема qPlus сенсора

Частота резонанса иглы составляла 28 кГц, добротность была в диапазоне 12…14, а амплитуда 50 пикометров. Также был использован дополнительный электрод на сенсоре для обеспечения туннельного тока. Еще в дополнение иглы были заточены азотным травлением во время ионной микроскопии.

В процессе самого исследования игла соприкасалась с поверхностью образца, как следствие, на кончике иглы оставались атомы кремния.

Сам рабочий образец был изготовлен из высоколегированных (1,5 × 10¹⁹ атомов / см³) кристаллов (100) Si. Далее производился процесс дегазации при температуре 600 °С в течение 12 часов, отжиг с максимальной температурой 1250 °С, а потом пассивация водородом при температуре 330 °С.

Ненасыщенные связи были сформированы за счет применения коротких импульсов напряжения (+2.1 В, 10 мс), когда игла располагалась прямо над водородом.

Изображение №1

На изображении 1а мы видим 2 НС структурированные посредством двух промежуточных атомов водорода с применением на зонд импульсов напряжения. Эта пара НС содержит 1 отрицательный заряд.

Изображение постоянного сдвига частоты (∆f) кажется слегка заштрихованным (1b). Это связано с тем, что отрицательный заряд несколько раз менял положение в процессе получения этого изображения. Если быть точным, то задарят как бы перепрыгивал от одной НС к другой, сто видно при сканировании структуры образца (1с).

Далее исследователям необходимо было определить, что изменение контраста на ∆f изображениях напрямую зависит от состояния заряда. Для этого необходимо было проанализировать изолированную НС, вне пары, проведя ∆f спектроскопию, зависимую от смещения. НС в процессе спектроскопии была негативно заряжена при 0 В на образце с n-допандом (1d). Тут мы видим очень резкий переход между двумя параболами, что соответствует переходу от нейтрального к отличительному зарядовому состоянию индивидуальной НС.

На изображении 1f мы видим как заряд менял положение в течении 4.8 минут. Важным наблюдением является то, что отрицательный заряд может сохраняться в системе на протяжении нескольких секунд.

Исследователи отмечают любопытную особенность — отрицательно заряженные кремниевые НСы стабилизируются при 200 мэВ (миллиэлектронвольт). Это следствие релаксации решетки, когда положение ядра атома поднимается выше на 30 пм относительно нейтрального состояния. Это позволяет предотвратить туннелирование между НС-ами.

Изображение №2

Также было обнаружено, что состояние НС при 0 В сильно зависит от ∆z. Подтверждение сего утверждения было получено серией сканирований методом постоянной высоты структуры из шести НС.

Сравнение метода постоянной высоты (а) и постоянного туннельного тока (b).

На верхнем снимке 2b видно, что при максимальном приближении иглы к образцу (-320 пм) все шесть НС имеют отрицательный заряд. Если же иглу поднять лишь на 50 пм до уровня –270 пм, то уже 3 НС будут отрицательно заряжены (нижний снимок 2b). А вот график 2с показывает, что данное изменение не происходит плавно и линейно, наоборот, наблюдается сильный разрыв между –300 и –290 пм.

Изображение №3

Наблюдение одного резкого перехода, зависящего от высоты иглы, недостаточно, чтобы сделать полноценный вывод. Потому было проведена силовая спектроскопия при 0 В на индивидуальных НС в паре (синяя линия на 3а) и над поверхностной вакансией (оранжевая линия на 3а). Изначально расстояние между образцом и иглой составляло на 700 пм больше, чем эталонная высота. Таким образом были нивелированы все силы между иглой и поверхностью образца. До момента, когда ∆z = −100 пм, все три НС практически одинаковы, что подтверждает преобладание сил дальнего радиуса действия. Резкое увеличение |∆f| происходит при достижении ∆z примерно в –302 пм.

Это приводит к гистерезису между кривой приближения и кривой отвода, при этом |∆f| остается достаточно высока пока ∆z не достигает −100 пм. Ученые связывают это явление с локализацией парного заряда в НС прямо под иглой.

Для более детального изучения режимов чтения и записи было проведено несколько экспериментов с симметричными и асимметричными структурами (из 5 НС).

Изображение №4

На изображениях 4а-с показаны схемы экспериментов симметричной (4d) и асимметричной (4h) структуры.

Во время режима записи игла проходит над образном на малом расстоянии, а в режиме чтения игла отодвигается на 50 пм и продолжает движение в обратном направлении. Пары изображений 4f/4g и 4j/4kотчетливо показывают, что зарядом внутри структуры можно полноценно манипулировать в обеих структурах.

В случае с симметричной структурой удалось сдвинуть заряд в одну из НС внутренней пары: правую (изображение 4f) и левую (4g). Далее следовал процесс вырождения, результат которого показан на изображении 4е.

В случае асимметричной структуры, когда НС было всего 5, три из них имели отрицательный заряд. Тут также удалось достичь манипуляции с зарядом во внутренней паре НС. Но, учитывая асимметричность структуры, оба зарядовых состояния не вырождались.

Для детального ознакомления и исследованием и дополнительными материалами к нему рекомендую почитать доклад исследователей.

Эпилог

Ученые говорят, что вышеописанные результаты экспериментов подтверждают реальную возможность манипулировать электронами внутри структур на базе ненасыщенных связей. Полученное зарядовое состояние остается стабильным в течение нескольких секунд, что достигается за счет релаксации кремниевой решетки, которая стабилизирует отрицательно заряженные ненасыщенные связи. При этом главным инструментом в данном эксперименте является щуп, а сам процесс полностью независим от напряжения смещения.

Данное исследование лишний раз подтверждайте, что для ученых нет ничего невозможного. Даже самые малые объекты перестали быть недоступны для изучения, а теперь и для манипуляции. Квантовые вычисления и искусственные нейронные сети могут получить дополнительный толчок в развитии, если данное исследование продолжится. Будем надеяться, что его потенциал все же такой же большой, как этого хотят его авторы.