Sistema de iluminação com diferentes frequências. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0144-z
Cientistas desenvolveram recentemente um nanointerruptor controlado por luz para estabelecer as bases para o desenvolvimento de dispositivos atômicos em nanotecnologia. Eles projetaram os interruptores em nanoescala em uma primeira etapa em direção à miniaturização de dispositivos eletrônicos totalmente integrados. A pesquisa multidisciplinar foi conduzida por Weiqiang Zhang e colegas de trabalho, e uma equipe internacional de colaboradores. Os resultados do estudo estão agora publicados em Light:Ciência e Aplicações .
No método desenvolvido por Zhang et al. a luz pode ser usada para controlar a condutância elétrica na junção entre os nanoeletrodos de ouro aquecendo os elétrons na superfície do eletrodo, em uma técnica conhecida como 'aquecimento plasmônico'. Eles validaram os mecanismos experimentais usando simulações. A equipe de pesquisa expandiu eletrodos por meio de aquecimento plasmônico para fechar a lacuna e ligar o interruptor, pavimentando o caminho para construir transistores de molécula única e biossensores baseados em nanoporos em nanoescala.
As junções moleculares foram investigadas anteriormente como uma abordagem para construir nanointerruptores empregando moléculas fotocrômicas (sensíveis à luz) que alternam entre duas isoformas distintas. O presente trabalho de Zhang et al. contrastantemente demonstrado comportamento do interruptor de condutância apenas com um contato metálico nu, sob iluminação leve, sem quaisquer moléculas. Eles demonstraram a condutância de contatos quânticos metálicos nus como interruptores reversíveis em oito ordens de magnitude para exceder substancialmente o desempenho dos interruptores moleculares anteriores. Os cientistas foram capazes de ajustar o tamanho da lacuna entre os dois eletrodos após o processo de troca com precisão sub-angstrom, controlando a intensidade da luz ou polarização.
ESQUERDA:a) Um fio de metal com um entalhe no meio é fixado no substrato. O entalhe pode ser esticado até que finalmente se rompa devido à curvatura do substrato, que produz dois eletrodos separados. b Imagens SEM do microfio entalhado durante o processo de alongamento. Barra de escala:50 μm. c Medição em tempo real da corrente com a luz ligada / desligada a cada 50 s – 60 s. Imagem ampliada:a condutância diminui em etapas quânticas em múltiplos de G0 (=2e2 / h) conforme a intensidade da luz diminui. d Esquema do arranjo atômico, que corresponde a quatro estados de condutância na iluminação de luz. Estado 1:os dois eletrodos estão separados por alguns angstroms (G ≪ 1 G0). Estado 2:os dois eletrodos são reconectados à iluminação de luz (G ~ 80 G0). Estado 3:os dois eletrodos são alongados, e uma cadeia de átomos de ouro é formada antes da quebra do nanocontato quando a intensidade da luz é reduzida (G ~ 1 G0). Estado 4:os dois eletrodos são separados novamente devido à dissipação de calor à medida que a luz é totalmente desligada (G ≪ 1 G0). À DIREITA:Fabricando um nanocontato. a) Configuração para cortar o fio de metal de maneira arredondada. O arame de metal estava imprensado entre uma lâmina de faca e uma plataforma de suporte. A plataforma pode se mover nas direções vertical (Z) e paralela (X) com uma resolução de ~ 5 μm. b) Imagem SEM do nanogap após a quebra do nanocontato. Barra de escala:5 μm. c) Micrografia óptica do fio metálico com entalhe no meio. Barra de escala:50 μm (d) Imagem SEM do fio de metal. Barra de escala:20 μm. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0144-z.
Dispositivos eletrônicos de engenharia usando blocos de construção funcionais em escala atômica é uma grande força motriz na nanotecnologia para formar elementos-chave em circuitos eletrônicos, que foram miniaturizados usando tunelamento mecânico, tensão de polarização / operação de corrente e eletroquímica. Estudos anteriores não, Contudo, abordar o conceito de interruptores atômicos controlados por aquecimento plasmônico. Os plasmons de superfície são oscilações eletrônicas deslocadas coerentes na interface entre dois materiais que formam nanoestruturas metálicas, que pode ser concentrada nas lacunas de sub-comprimento de onda entre os materiais. Em princípio, quando a frequência de ressonância dos plasmons de superfície corresponde à frequência da luz incidente, a ressonância do plasmon é estimulada a produzir forte absorção de luz e aquecimento plasmônico substancial.
No presente estudo, Zhang et al. usou este princípio para mostrar como um metal, o contato em escala atômica pode ser operado de forma confiável como um interruptor de condutância por meio de iluminação controlada de luz. Para projetar o contato metálico em escala atômica, eles esticaram com precisão um nanofio de metal usando a junção de ruptura mecanicamente controlável. Quando eles reduziram a seção transversal do fio de metal para alguns nanômetros ou alguns átomos, o diâmetro tornou-se comparável ao comprimento de onda de Fermi dos elétrons, permitindo que os efeitos da mecânica quântica influenciem fortemente as propriedades do transporte de elétrons. Usando esses princípios, Zhang et al. mostrou como a condutância de um contato atômico de ouro pode ser trocada de alguns quanta de condutância para centenas de quanta, e vice-versa com iluminação leve. Os cientistas foram capazes de alternar reversivelmente os contatos quânticos metálicos entre o estado aberto e fechado, controlando a intensidade da luz. Eles criaram um nanogap entre os contatos quânticos dentro do qual um túnel coerente governava o transporte de elétrons.
Corrente modulada pela iluminação da luz. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0144-z.
Embora a geração de um nanogap fosse crucial para fabricar dispositivos baseados em uma única molécula, projetar uma lacuna em escala atômica ajustável continuou sendo um desafio significativo. Embora os tamanhos de lacunas fixas não pudessem ser ajustados após a fabricação, o tamanho da lacuna pode ser prontamente e continuamente ajustado por meio de aquecimento plasmônico em resolução sub-angstrom, como mostrado por Zhang e a equipe de pesquisa.
Por esta, eles usaram uma lâmpada comercial de diodo emissor de luz (LED) como fonte de luz nos experimentos com um adaptador AC para controlar continuamente a intensidade da luz. A configuração experimental não exigiu hardware óptico especial ou fontes de laser de alta potência. Eles usaram um fio de ouro disponível comercialmente com uma constrição no meio em um substrato de aço de mola para construir os nano contatos. Então, usando uma 'junção de ruptura mecanicamente controlável' (MCBJ), os cientistas esticaram a constrição dobrando o substrato, e observou-o com imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV). Depois disso, os cientistas reduziram a seção transversal da constrição para formar dois eletrodos separados. Quando eles acenderam a luz, a condutância aumentou e diminuiu quando a luz foi desligada; a grande condutância resultante da iluminação leve reconectou fortemente os dois eletrodos separados.
Os cientistas analisaram o fenômeno no nível do arranjo atômico, com iluminação de luz. Eles mostraram que os nanogaps tinham forte absorção de luz nas regiões visível e infravermelho próximo, devido às ressonâncias plasmônicas de superfície localizadas (LSPR). Quando a frequência da luz LED combinou com a frequência de oscilação dos elétrons livres e o campo eletromagnético na ponta dos eletrodos, o LSPR em torno da lacuna estava animado. A luz absorvida é então convertida em energia térmica, causando a expansão dos nanoeletrodos e sua reconexão. A condutância atingiu seu valor máximo quando o sistema estava em equilíbrio térmico. Quando a luz foi desligada, os elétrons se separaram mais uma vez.
Dependência da condutância da luz incidente. a) Medição em tempo real da condutância nas iluminações de LED no regime de tunelamento. Vbias =1 mV. b) Esquema da variação do tamanho da lacuna na iluminação de luz. As linhas tracejadas indicam a nova posição dos nanoeletrodos na iluminação do LED. c) A condutância da lacuna de tunelamento depende da polarização do laser. Quando um laser polarizado p (rosa) é empregado, a condutância é aproximadamente duas vezes maior do que a condutância quando um laser S-polarizado (laranja) é empregado. O comprimento de onda central do laser é de 640 nm, com largura de banda de 5,7 nm, e a densidade máxima de potência do laser é 0,5 mW / mm2. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0144-z.
Para entender como a condutância depende da intensidade da luz, os cientistas realizaram experimentos em que a intensidade máxima da luz dentro de cada círculo iluminado aumentava gradualmente. Zhang et al. mostraram que a condutância máxima em cada círculo aumentou aproximadamente linearmente com a intensidade da luz. Eles obtiveram dados repetíveis da corrente em função da intensidade da luz e mostraram como a condutância do contato quântico, poderia ser regulado pela intensidade da luz.
Caracterização de dispositivos MCBJ e simulação da distribuição da expansão dos eletrodos sob iluminação de luz. a) Sistema para medição de espectroscopia óptica. b) Espectros de espalhamento de campo escuro medidos da área de lacuna que emprega três amostras diferentes. O tamanho da lacuna é de ~ 2 nm na amostra A e ~ 0,2 nm na amostra B. Os eletrodos foram fortemente reconectados, e nenhum nanogap é observado na amostra C. As ressonâncias plasmônicas são indicadas pelas setas. c) Modelo usado na simulação. Partes do grande fio de metal próximo às nanopontas foram consideradas. O tamanho da lacuna entre duas nanopontas é inicialmente definido como 2 nm. A polarização da luz incidente é paralela ao eixo x. d) Distribuição de expansão (no componente X) quando a temperatura de equilíbrio foi estabelecida. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0144-z.
Zhang et al. também observou como o tamanho do nanogap poderia ser modulado com precisão pela luz, mostrando que a condutância poderia ser modificada na região de tunelamento, entre a lacuna dos dois eletrodos, controlando a luz LED. Quando a intensidade da luz foi fixada, eles poderiam manter a corrente de tunelamento constante por mais tempo. Os cientistas estimaram a distância entre os dois eletrodos usando a equação de Simmons; usado para descrever a relação entre a corrente de tunelamento e o tamanho do gap de tunelamento. Eles poderiam, assim, controlar com precisão a distância entre os dois eletrodos separados com uma precisão sub-angstrom usando a intensidade da luz.
Para confirmar que a origem do comportamento de comutação foi o aquecimento induzido por plasmon nos sistemas plasmônicos em nanoescala, os cientistas investigaram o espectro de espalhamento das amostras MCBJ para revelar a frequência da ressonância plasmônica. Os resultados indicaram que a alteração da condutância está relacionada à expansão dos eletrodos devido ao aquecimento plasmônico. Zhang et al. também realizou simulações do método de elementos finitos para estimar a expansão dos eletrodos e resolveu a distribuição do campo elétrico, distribuição de temperatura e expansão térmica na iluminação de luz, usando o pacote de programa COMSOL Multiphysics. A simulação calculou o deslocamento máximo dos eletrodos como se aproximando de 0,4 nm. Zhang et al. foram capazes de otimizar ainda mais a frequência de chaveamento, otimizando as dimensões características para transferência de calor. Desta maneira, os cientistas provaram experimentalmente que os interruptores atômicos podem ser operados rapidamente por meio do aquecimento plasmônico.
Sistema de iluminação com frequências diferentes. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-019-0144-z
O trabalho demonstrou a geometria atômica de contatos quânticos metálicos que podiam ser modulados com luz e a capacidade de inverter o interruptor (liga / desliga, vice-versa) sua condutância usando aquecimento plasmônico. Embora a separação átomo por átomo dos eletrodos tenha sido claramente observada, eles também podem ajustar o tamanho da lacuna, entre os eletrodos em resolução sub-angstrom, controlando a intensidade da luz. Zhang et al. mostraram que o plasmon pode potencialmente romper o limite de difração da luz para realizar a nanofocagem, para transferir a chave atômica controlada por plasmon para realizar nanodispositivos altamente integrados; abrindo um novo caminho para a engenharia de dispositivos nanoeletrônicos.
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