Verfahren zum “Skizzieren” von Quantenbauelementen mit fokussierten Elektronen erfunden

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Die Technik ist 10.000 Mal schneller als bisherige Methoden und kann aktive nanostrukturierte Gates direkt unter zweidimensionalen Materialien wie Graphen erzeugen.
Es ist seit langem ein Traum, neue Materialien von “oben nach unten” zu erfinden, indem man wählt, welche Atome wohin gehen, um die gewünschten Eigenschaften zu erzeugen.

Eine Technik, die von Forschern des Departments für Physik und Astronomie entwickelt wurde, ermöglicht es ihnen, Muster von Elektronen in ein programmierbares Quantenmaterial – Lanthan-Aluminat/Strontium-Titanat oder “LAO/STO” – zu “skizzieren”. Mit diesem Ansatz können sie Quantenbauelemente mit einer Größe, die mit den Abständen zwischen den Elektronen vergleichbar ist, erzeugen und sogar künstliche Gitter, die die Elektronen durchqueren können, mit extrem hoher Präzision “skizzieren”.
Um diese Fähigkeit zu entwickeln, haben die Forscher ein Elektronenstrahllithographie-Instrument umfunktioniert, das normalerweise zur Herstellung von Nanostrukturen verwendet wird, indem ein Resist belichtet wird, das zu einer Maske aushärtet, so dass anschließend Materialschichten hinzugefügt oder entfernt werden können.

Anstatt das Instrument mit dem üblichen Wert von 20.000 Volt zu betreiben, haben die Forscher es auf wenige hundert Volt heruntergedreht, so dass die Elektronen nicht in die Oberfläche des Oxidmaterials eindringen konnten und stattdessen – ohne Resist – eine Oberflächenreaktion katalysierten, die die LAO-Oberfläche positiv geladen und die LAO/STO-Grenzfläche lokal leitfähig machte.

Der Elektronenstrahl ist beim Schreiben 10.000-mal schneller als bei der auf dem Rasterkraftmikroskop basierenden Lithografie, ohne dass die räumliche Auflösung oder die Fähigkeit zur Umprogrammierung verloren geht.

Darüber hinaus zeigten die Autoren, dass diese Technik die LAO/STO-Grenzfläche programmieren kann, wenn sie mit anderen 2D-Schichten wie Graphen integriert wird.

Das Team unter der Leitung von Jeremy Levy, einem Distinguished Professor of Condensed Matter Physics und Direktor des Pittsburgh Quantum Institute, beschreibt die Methode in der Arbeit “Nanoscale control of LaAIO3/SrTiO3 metal-insulator transition using ultra-low-voltage electron-beam lithography.” Die Arbeit wird heute (21. Dezember 2020) in Applied Physics Letters veröffentlicht.
Dengyu Yang, ein Doktorand, der die Technik entwickelt hat und Hauptautor des Papiers ist, verglich es mit dem “Abbilden einer Skizze auf einer Leinwand mit einem Stift.”
“In diesem Fall ist die Leinwand LAO/STO und der “Stift” ist ein Strahl von Elektronen.

Diese leistungsstarke Fähigkeit erlaubt es uns, mit komplexeren Strukturen zu partizipieren und das Gerät von einer Dimension auf zwei Dimensionen zu erweitern”, sagte sie.
Yang und Levy sagten, dass die Entdeckung Auswirkungen auf den Gebieten des Quantentransports und der Quantensimulation haben könnte.
“Wir sind sehr daran interessiert, diese Technik zu nutzen, um programmatisch neue Familien von zweidimensionalen elektronischen Materialien zu schaffen, die auf Arrays von künstlichen Atomen basieren, die mit dieser Technik geschrieben wurden. Unsere Gruppe hat kürzlich eine Arbeit in Science Advances veröffentlicht, in der die Idee der Quantensimulation in eindimensionalen Bauelementen unter Verwendung der AFM-Methode demonstriert wird.

Diese neue EBL-basierte Technik wird es uns ermöglichen, Quantensimulationen in zwei Dimensionen durchzuführen”, so Levy.
Referenz: 21. Dezember 2020, Applied Physics Letters.
Zusätzlich zu Yang und Levy, Pitt Mitarbeiter auf dem Papier gehören Forschungsprofessor Patrick Irvin und Diplomanden Shan Hao, Qing Guo, Muqing Yu, Yang Hu, Assistenzprofessor Jun Chen von der Swanson School of Engineering.

Weitere Zugehörigkeiten sind das Department of Materials Science and Engineering an der University of Wisconsin-Madison und das Pittsburgh Quantum Institute.

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