工程自集成原子量子线形成纳米网络

量子进步依赖于基于几种最先进的纳米光刻技术的纳米级导线的生产，通过自下而上的合成来开发导线。然而，一个关键的挑战是生长均匀的原子晶体线并构建网络结构以构建纳米电路。

在《科学进展》的一份新报告中，Tomoya Asaba和京都大学，东京大学和德国理论物理研究所的物理和材料科学研究人员团队发现了一种简单的方法来开发纳米环，条纹和X / Y-结形状的原子级线。

使用脉冲激光沉积，物理学家和材料科学家生长了莫特绝缘体的单晶原子级导线，其保持了与宽隙半导体相当的带隙。这种电线的厚度为晶胞，长度为几微米。研究人员通过非平衡反应扩散过程观察原子图案的形成，为原子尺度自组织现象提供了迄今为止未知的视角，以深入了解纳米网络中量子结构的形成。

设计原子级纳米线的新方法

大多数技术设备的基本功能随着尺寸的减小而改变。当器件缩小到纳米级时，一维线型的制造和集成变得越来越复杂。使用电子束和聚焦离子束光刻等大型设备开发自上而下的方法，以包括厚度和宽度小于10纳米的纳米线是另一个技术挑战。

同样，使用自组装工艺的自下而上的技术也无法有效地确定电线的均匀性。在自下而上的工程过程中，纳米线阵列集成取决于两个复杂的步骤：首先生长随机取向的纳米线，然后将它们对齐成阵列;因此，这需要一种新的方法来制造均匀的原子级电线，并设计纳米图案。

在这项工作中，Asaba及其同事设计了均匀而长的三氯化钌(RuCl3)通过简单的沉积方法在原子尺度上。他们制造了实现量子纳米电路所需的几种特征图案，包括原子光滑结和纳米环。三氯化钌材料作为莫特绝缘体很有趣，其中电子 - 电子相互作用打开了能量间隙。该团队形成并整合了纳米线图案，作为薄膜生长过程的一部分，从而与原子级线图案背后的传统方法不同 - 而是促进自组织。

工程纳米电路

在实验过程中，该团队使用脉冲激光沉积在高度取向的热解石墨表面上熔化了三氯化钌，并用扫描隧道显微镜观察结果。他们获得了在强沉积温度下生长的样品的原子分辨率图像，以检测被独特图案的导线覆盖的表面。虽然每根导线都由周期性间隔的原子组成，但他们注意到单一的晶体结构。然后，材料科学家通过延长沉积时间来研究形成原子级线的材料，以生长二维单层和更厚的薄膜，并验证其成分为结晶三氯化钌。

原子线保持超过3微米的长度，这是一个独特而前所未有的特征。它们还含有生长在热解石墨表面上的两条或四条三氯化钌单晶链。在其构成中，导线最初由材料的四极杆链组成，后来随着温度的降低而减少为双链，形成原子光滑的结和环，没有缺陷和团簇，最终设计出纳米电路。

表征纳米电路

材料科学家接下来通过测量差分隧穿电导来研究材料的电子结构，并将结果与各种形式的材料和热解石墨表面进行比较。他们注意到三氯化钌中明显的能量间隙，表明半导体或绝缘电子结构。

他们通过对三氯化钌材料的不同形式的系统带计算揭示了能隙的起源，包括双链线及其单层和块状形式，以观察电子相关性和自旋轨道相互作用。该材料最终揭示了研究中使用的所有实验结构中费米能的开放能隙，以确认该材料是莫特绝缘体。

模式形成的机制

该团队将纳米线阵列的形成归功于薄膜生长，这与迄今为止已知的任何过程都不同。除了在实验中观察到的条纹图案外，研究小组还讨论了图案形成背后的机制以及几个不同特征的出现。根据模式，静态相互作用不是原子线阵列的驱动力。

相反，他们将这一特征归功于非平衡反应扩散过程。由于扫描隧道显微镜太慢，无法捕获薄膜生长的动态过程，因此该团队希望在原子尺度上对动态过程进行直接测量，以充分了解生长机制。

展望

通过这种方式，Tomoya Asaba及其同事假设了反应扩散机制来刺激原子线中图案形成的起源，导致通过图灵不稳定性表现出条纹图案。这一特征促成了空间周期模式的自发出现。

纳米线和结极大地增加了电子电路的集成度，为探索基于原子尺度的非平衡自组织现象提供了一个物理游乐场，适合于奇异的电子状态和量子进步。

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