Kvantová tečka je typ polovodiče, který je široký jen několik nanometrů. Má širokou škálu aplikací, včetně LED osvětlení, lékařské diagnostiky, tisku, výroby polovodičů a solárních panelů. Jsou velmi malé, ale měli velký dopad na náš svět, jak to víme. To je důvod, proč lidé, kteří našli rychlý a spolehlivý způsob, jak vyrobit kvantové tečky, byli oceněni Nobelova cena za chemii v roce 2023.
Kvantové tečky získávají své zvědavé, ale silné schopnosti z jevu zvaného Quantum Undement. Když hodíte spínač, přijde žárovka. Je to proto, že elektrony proudí ze zdroje energie do žárovky měděnými vodiči. Protože dráty jsou poměrně silné (z pohledu elektronu) a velmi dlouhé, elektrony nejsou pevně zabaleny a volně se pohybují. Ale v kvantové tečce není mnoho místa a elektrony jsou relativně blízké k sobě. Takže i když se mohou volně pohybovat po celé kvantové tečce a nesmí se omezit na jejich atomy, jejich pohyb je stále omezen.
V této situaci může mít množství energie, kterou každý elektron může mít změny. V měděném drátu v okruhu vašeho domu, pokud elektron nějakým způsobem získá nějakou energii, může se jednoduše pohybovat rychleji. Ale v kvantové tečce není kam jít, takže elektrony nemohou jednoduše získat více energie, i když řekněme, zvýšíte napětí na tečce. Místo toho mohou mít elektrony pouze specifické množství energie. Tak přesně se chovají elektrony v atomu: mají omezenou energii. Je to, jako by byli ve filmové hale. Elektrony měděné dráty jsou volně zaplňují všechna sedadla, která se jim líbí. Ale v atomu jsou některé řádky uzavřeny a v jiných řádcích jsou k dispozici pouze specifická sedadla. Protože všechny elektrony v kvantové tečce se chovají tímto způsobem, samotná tečka se chová jako obří atom.
Materiály nejsou ve 3D
O omezeních, která cítí elektrony, protože jsou tak zabaleny, se říká, že jsou způsobeny kvantovým uvězněním. Materiál je popsán jako 1D nebo 2D v závislosti na tom, kolik omezuje jeho elektrony. Kvantová tečka je považována za nulový dimenzionální materiál: zatímco její elektrony se mohou technicky pohybovat ve třech rozměrech, dostupný objem je tak malý, že by to mohl být také bodem v prostoru.
Podobně je grafen slavný 2D materiál: skládá se z jediného listu atomů uhlíku spojeného v hexagonálním vzoru. Elektrony v tomto listu se mohou pohybovat pouze ve dvou rozměrech, tedy 2d. Výsledkem je, že se chovají, jako by neměli hmotu, například a vedou k vlastnostem, které nebyly vidět v jiných materiálech.
Neobvyklé vlastnosti materiálu kvantové uvěznění způsobuje, že mají zjevně velkou hodnotu v reálném světě. Proto se vědci také pokoušejí vytvořit 2D kovy – ale narazili na trnitý problém.
Pokud je jeden list grafenu umístěn nad druhým, tyto dvě listy vyvinou slabé vazby mezi nimi nazývané interakce van der Waals. Jsou to velmi slabé vazby: mohou zabránit tomu, aby se listy odtrhly od sebe, ale pokud trochu zatáhnete i jeden list, interakce se rozbije a umožní oddělit listy.
Vědci, kteří objevili grafen, také zjistili, že připevněním nějaké celofánové pásky na grafit a poté ji vytáhnou jedním hladkým pohybem, mohli dostat několik vrstev grafenu, aby se vydali s páskou.
Opravdu, opravdu ploché kovy
To by nebylo možné, kdyby byl uhlík kovem. Problém s atomem kovu spočívá v tom, že se rád spojí se všemi stejnými atomy kolem sebe. Jinak řečeno, atom atom snadno tvoří vazby ve 3D. Nunění k vytvoření dluhopisů pouze ve 2D je velmi obtížné. To je důvod, proč se vědci z materiálů pokoušejí po desetiletí vytvářet 2D kovy pomocí různých technik, a to bez úspěchu. Pokusili se pečlivě ukládat atomy kovů na substrátu, sendvičské kovové plátky mezi 2D materiálem a substrátem, dokonce kladení kovových kusů dolů.
Byli schopni řídit kovové listy o několik nanometrů tlustých. To není dost dobré: atomicky tenké listy jsou desetinásobné tenčí, v nejlepším případě několik angstromů (Á) hluboko. Vědci také zjistili, že povrch těchto materiálů je nerovný a že atomy kovů často interagují s kyslíkem v atmosféře za vzniku oxidových sloučenin.
Přesto byli motivováni, aby pokračovali, protože se očekává, že 2D kovy budou mít vysoce jedinečné vlastnosti, které lze využít pro technologie nové generace, včetně super citlivých senzorů s aplikacemi od medicíny po armádu. Očekává se, že zejména 2D bismut a cín budou exotické materiály zvané topologické izolátory, které provádějí elektrické proudy pouze podél jejich okrajů, nikde jinde. V takovém stavu se materiál může stát magnetizovaným na malých ostrovech – fenomén fyziky uvedli, že lze využít k vytvoření rychlejších počítačů budoucnosti.
Vysokotlaký sendvič
Nyní, pokud studie Publikováno nedávno v Příroda je třeba věřit, že na konci 2D tunelu může být konečně světlo. Tým vědců z Pekingské národní laboratoře pro fyziku kondenzované hmoty a fyzikální ústav, University of Chinese Academy of Sciences (jak v Pekingu), a laboratoř Songshan Lake Materials (Dongguan), hlásil způsob, jak produkovat 2D listy, Gallium, Indium, Tin a Lead. Technika týmu není také komplikovaná – i když je to částečně proto, že potřebné technologie trvalo dlouho, než se dostali do jejich současného pokročilého stavu.
To jde zhruba takto: (i) Vytvořte čistý prášek kovu, řekněme bizmut. (ii) Položte jej na desku vyrobenou ze safíru na vrcholu jedné vrstvy molybdenu disulfidu (MOS2) byl uložen. Toto je spodní kovadlina. (iii) Když se spodní kovadlina zahřívá, kovový prášek na její horní část se roztaví a rozprostírá. (iv) kapička je překryta s horní kovadlinou, která se také skládá z jediného MOS2 Vrstva vložená na safírovém substrátu. V tomto okamžiku je kapička vložena mezi dvě vrstvy MOS2které jsou zase vloženy mezi dvě vrstvy safíru. (v) Horní kovadlina je zkroucena malým úhlem a poté jsou dvě kovadliny tlačeny dohromady. Tlak se udržuje, dokud se kovadliny ochladily na pokojovou teplotu, a poté odstraněny. vi) Smooshed list kovu je odlupován.
Podle týmu byl list bismuthu jen 6,3 Á tlustý – hloubka zhruba dvou atomů a dostatečná pro elektrony v kovu, aby byly omezeny ve 2D.
Použití MOS2 A Sapphire nebyl náhodný. Mos2 Má Youngův modul-množství síly potřebné k jeho deformaci-430 miliard Pascal (PA) a Sapphire, 300 miliard Pa. To je více než milionkrát atmosférický tlak na hladině moře. Stisknutí vědců požádalo o výrobu 2D bismutu bylo „Just“ 200 milionů pa. Oba MOS2 A Sapphire má také hladké povrchy, což znamená, že se jejich atomy nesnaží spojit s atomy bizmutů v jejich blízkosti.
Vědci také zjistili, že takto vytvořený list bismuutů vykazuje silný polní efekt a nelineární Hall efekt. Polní efekt znamená, jak dobře list provádí elektřinu, lze změnit použitím externího elektrického pole. Efekt nelineárního haly byl zvláštnější: když bylo aplikováno elektrické pole, list bismutů získal napětí v kolmém směru. Silný polní efekt i nelineární Hall efekt se vyskytují ve 2D kovech, nikoli ve 3D kovech.
Změnit svět
Nové úsilí je „není první, kdo pěstuje tenké krystaly mezi vrstvami materiálů van der Waals. V uplynulém roce se objevily zprávy o jednom atomově silném grafenu nano-ribbony pěstované mezi vrstvami hexagonálního nitridu boru a zlatých nanokrystalů a jen pár nanometrů silně rostou2„University of California, Irvine, výzkumný pracovník fyziky z kondenzované matky Javier Sanchez-Yamagishi napsal v komentáři doprovázejícím papír.
„Klíčovým rozdílem mezi naší metodou a metodou Zhao a kolegů je to, že používali velké (centimetrové) safíry pokryté MOS2Což by mohlo být zásadní pro výrobu atomově tenkých kovů, “dodal.
Sanchez-Yamagishi také napsal, že nová technika představuje „podstatné zlepšení oproti tomu, co lze provést pomocí dražších a složitějších technik“. Protože se jedná o první pokus, čeká více příležitostí i nových výzev. Vědci mohou například hledat způsoby, jak tuto techniku využít k výrobě 2D listů složených z více kovových druhů, nejen jednoho.
Pro další, geometrické uspořádání atomů bizmutů ve 2D listu, které tým vytvořil, mu umožňuje stát se topologickým izolátorem pouze v konkrétních podmínkách. Budoucí výzkum může zlepšit techniku, aby se topologické izolátory pokojové teploty spolehlivějším způsobem-právě způsob, jakým laureáti chemie Nobelovy ceny 2023 změnili svět, když objevili jednoduchý a spolehlivý způsob, jak vyrobit kvantové tečky. Další příležitostí je ohlásit postup k vytvoření 2D kovů větší plochy.
Nakonec se vědci dozví více o 2D kovátech samy, zejména dosud neznámých vlastností. „Ještě méně je známo o elektronických vlastnostech ostatních 2D kovů připravených ve studii,“ napsal Sanchez-Yamagishi. „Stabilita a velké velikosti těchto materiálů otevírají mnoho možností pro jejich integraci s jinými materiály a pro výrobu nových elektrických nebo fotonických zařízení.“
Publikováno – 15. května 2025 05:30
