Breakthrough method for processing nanomaterials heralds advances in quantum computing

约翰·霍普金斯大学的研究人员已经开发出一种制造原子厚度的半导体晶体的新方法，这种方法有一天将使更强大、更紧凑的电子设备成为可能。

通过使用经过特殊处理的硅表面来调整晶体的大小和形状，研究人员发现了一种可能更快、更便宜的方法来生产用于微芯片的下一代半导体晶体。以这种方式生产的晶体材料可以反过来促进新的科学发现，并加速量子计算、消费电子、高效太阳能电池和电池的技术发展。

这些发现发表在今天出版的《自然-纳米技术》杂志上。

这项研究的负责人、约翰·霍普金斯大学的化学教授托马斯·j·肯帕说:“有一种方法可以在纳米尺度上精确、快速地塑造晶体，而且不需要传统的自上而下的过程，这是纳米材料在技术应用中得到广泛应用的主要优势。”

肯帕的团队首先浇上了硅衬底
2，这种衬底广泛应用于工业设备中，用磷化氢气体将半导体加工成设备。当晶体被诱导在经过磷处理的硅载体上生长时，作者发现它们的结构比用传统方法制备的晶体要小得多，质量也更高。

研究人员发现，膦与硅载体的反应导致了一个新的“设计表面”的形成。这个表面刺激晶体成长为水平的“丝带”，而不是通常生产的平面和三角形薄片。Kempa说，此外，这些色带均匀的外观和边缘清晰的结构，可以与通过行业标准的图形和蚀刻工艺制备的纳米晶体的质量相媲美。

本研究制备的纳米晶被称为“过渡金属双卤代烃”或TMDs。与石墨烯一样，TMDs因其强大的“二维”尺度而备受关注。但是传统的处理方法很难以适应新发现和性能更好的技术发展的方式轻易地改变TMDs的纹理。

值得注意的是，Kempa和他的团队创造出的tmd版本太小了，他们称其为“一维”，以区别于大多数研究人员熟悉的普通二维数据表。

材料加工的局限性是近年来摩尔定律发展缓慢的原因之一。IBM的共同创始人戈登·e·摩尔(Gordon E. Moore)在1965年提出了这条规则，规定在一个密集的集成电路中，晶体管的数量及其性能大约每两年翻一番。在过去的几十年里，消费电子产品变得越来越小、越来越快、越来越智能，原因就在于将这么多微米大小的晶体管封装到微芯片或集成电路中。

然而，半导体行业目前正努力保持这一速度。

Kempa和他的团队制作的水晶的显著特征包括:

• 它们高度均匀的原子结构和质量源于它们是合成的，而不是通过传统的图形和蚀刻方法制造的。这些晶体的优雅品质可以使它们在太阳能电池或催化剂中更有效地传导和转换能量。
• 研究人员可以通过改变磷化氢的量来直接使晶体生长到精确的规格。
• “设计基板”是“模块化”的，这意味着学术和工业实验室可以将这项技术与其他现有的晶体生长过程结合起来，制造新材料。
• “设计基板”也是可重用的，节省了处理的金钱和时间。
• 由此产生的带状一维晶体发光，其颜色可以通过调节色带宽度来调节，这表明了它们在量子信息应用中的潜在前景。

“我们在合理控制纳米材料的形状和尺寸方面取得了根本性的进步，”Kempa说。

他补充说，这种方法可以“以以前不太可能的方式雕刻纳米级晶体”。“如此精确的合成控制晶体的尺寸是前所未有的。”

“我们的方法可以节省大量的处理时间和金钱，”他说。“我们随心所欲地控制这些晶体的能力，可能会使其在能源存储、量子计算和量子密码学方面的应用成为可能。”

新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://hub.jhu.edu/2019/11/18/nanotechnology-crystal-manufacturing/