二維金量子點：有望應用於量子計算和新一代電子器件！
背景
2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫用微機械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯，是由碳原子組成六角形呈蜂巢狀結構的二維碳納米材料。
（圖片來源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）
石墨烯，憑藉導電導熱性好、機械強度高、超薄透明、柔性可彎曲等優勢，一度被譽為「新材料之王」。然而，石墨烯的發現也激起了人們對二維材料的研究熱情。
二維材料，是指電子僅可在兩個維度的非納米尺度上自由運動的材料，例如納米薄膜、超晶格、量子阱等。除石墨烯外，二維材料還包括六方氮化硼、過渡族金屬化合物（二硫化鉬、二硫化鎢、二硒化鎢）、黑磷等。
如今，大多數電子設備內的晶體管與其他元件都是由硅等三維材料製成。但是，三維材料的缺陷在於：電子會在層內的各個方向四處彈跳；然而，二維材料的優勢在於：電子只能在二維平面中移動，因此移動速度更快，載流子遷移率更高。
可是，以石墨烯為例，雖然電子可以在其中輕鬆地高速流動，但是它卻不適合作為半導體。主要原因就是，石墨烯沒有帶隙（bandgap），無法選擇」打開「或者」關閉「電流，這種二進位的開關機制正是構成現代電子器件的基礎。
如今，越來越多的二維材料被發現以及深入研究，其中不乏可作為半導體使用的二維材料，例如過渡金屬硫族化合物、黑磷等。目前，科學家已經利用這些二維材料創造出許多的半導體器件。
由二硫化鉬製成的超薄柔性微處理器（圖片來源：Stefan Wachter/維也納技術大學）
這些二維半導體將為正走向終結的摩爾定律注入新的希望，在量子計算和新一代電子器件中發揮更大的作用。
創新
近日，美國密歇根理工大學研究人員探索出一種製造二維半導體的新的獨特方法。他們將金屬「金」轉化為半導體，並在氮化硼納米管上逐個原子地定製這種材料。
金，是一種廣泛作為電子器件互聯線使用的導電材料。隨著電子器件越來越小、越來越強大，其中的半導體材料也在縮小。然而，通過現有的設計，計算機的小型化已經面臨極限。為了突破這個限制，研究人員潛心研究量子計算背後的物理學，以及量子力學中金的反常行為。
研究人員可以將金轉化為由單層原子組成的半導體量子點。它們的帶隙由量子限域效應形成。量子限域效應，是指當材料尺寸小到接近分子級時，材料表現得像原子一樣。這些二維金量子點可應用於帶隙可逐個原子調整的電子器件。
採用原子單層來構造這些量子點是非常複雜的，更大的挑戰在於定製它們的特性。當將它們放在氮化硼納米管上時，密歇根理工大學的研究人員們發現，他們可以利用金量子點完成幾乎不可能的任務。近日，科研人員在《ACS Nano》期刊上發表的論文中，重點描述了讓金量子點逐個原子聚集起來的幕後機制。
（圖片來源：Bill Tembreull/密歇根理工大學）
技術
美國密歇根理工大學物理系教授 Yoke Khin Yap 領導了這項研究。他解釋道，他的團隊可通過掃描透射式電子顯微鏡（STEM）觀察到這個行動，即對金量子點進行原子級操控。STEM 的大功率電子束，使得像 Yap 教授這樣的研究人員，可實時觀察原子級的運動。這個視圖展示了金原子是如何與氮化硼納米管表面相互作用的。基本上，金原子沿著納米管表面滑行，並在氮化硼的六邊形蜂窩上方穩定地懸停。
這種原子級的滑行與懸停，與所謂的「能量選擇性沉積」相關。在實驗中，團隊採用氮化硼納米管陣列，並向它施加含金噴霧；噴霧中的金原子要麼插入多層納米顆粒中，要麼被納米管彈回，而一些能量更充沛的金原子沿著納米管周圍滑行並穩定下來，然後開始聚集成金量子點單層。團隊展示，金粒子優先在其他已經穩定下來的金粒子背後沉積下來。
Yap 表示：「氮化硼納米管表面具有原子水平的光滑性，這個表面上沒有缺陷，整齊地排列成蜂窩形。」他補充道，納米管是通過化學方法插入金原子，納米管與金原子之間沒有物理綁定。「這很像滑雪：你無法在坑坑窪窪又沒有雪的山丘上滑雪，理想的環境會使滑雪輕鬆許多。納米管的光滑表面就像新鮮的雪粉。」
價值
為了為未來電子器件與量子計算尋找新材料，研究人員們嘗試過許多方法。Yap 希望，展示金的效用，將會啟發其他研究人員，使他們關注其他分子級的金屬單層。
Yap 表示：「這是一個夢想中的納米技術。這種分子級技術可通過在可見光光譜中具有理想帶隙的原子進行調整。對於電子和光學器件來說，它都極具前景。」
未來
團隊的下一步包括，進一步表徵和整合設備製造工藝，演示全金屬的電子器件。未來，金屬原子單層有望構成整個電子器件，這將節省製造所用的許多能量和材料。
關鍵字
二維材料、半導體、量子計算、量子點、電子
參考資料
【1】https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsnano.8b09559
【2】https://www.mtu.edu/news/stories/2019/april/the-golden-path-towards-new-twodimensional-semiconductors.html
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