Ein Gerät, das einzelne Elektronen mit Subnanometer- und Subfemtosekunden-Präzision steuern kann, könnte das neueste kleine elektronische Gerät sein, das entwickelt wird. In der Vakuum-Nanoelektronik, wo Elektronen durch ein Vakuum von einem nanoskaligen Emitter zur Zielelektrode wandern, wurden in den letzten Jahrzehnten enorme Fortschritte bei der Kontrolle ultraschneller elektronischer Prozesse erzielt.
Elektronische Struktur von Festkörpern
Hirofumi Yanagisawa von der Japan Science and Technology Agency und Kollegen haben erhebliche Fortschritte bei der Erzielung einer optimalen räumlichen Kontrolle erzielt, indem sie Orbitale eines einzelnen Moleküls zur Steuerung der Elektronenemission verwendet haben. Während diese Methode die Möglichkeit bietet, hochgeordnete Elektronenemitter zu erzeugen, verbessert sie auch unser Wissen über die Funktion von Molekülorbitalen in der elektronischen Struktur von Festkörpern.
Studien zur Elektronenemission
Die Bestimmung des Punktes, an dem Elektronen aus dem Emitter austreten, ist entscheidend, um eine außergewöhnliche Kontrolle über die Elektronenemission zu erreichen. Ein Verfahren besteht darin, das Material des Emitters physikalisch zu formen, um das gewünschte Punktmuster zu erzeugen. Aber dies im Sub-Nanometer-Maßstab zu tun, würde erhebliche Material- und Herstellungsherausforderungen mit sich bringen. Stattdessen haben Yanagisawa und Kollegen gezeigt, dass es eine brillante Idee ist, Elektronen für die Emission umzuleiten, indem sie die inhärente elektronische Struktur eines Moleküls verwenden. Das Emissionsmuster wird im Wesentlichen durch Molekülorbitale räumlich gefiltert.
Die Forschung des Teams stammt aus zwei Hauptbereichen, in denen in den letzten Jahren bedeutende Fortschritte erzielt wurden. Einer konzentriert sich auf die Untersuchung der Femtosekunden- und Attosekunden-Elektronendynamik und die Entwicklung von ultraschnellen Elektronenquellen, wie 2006 durch die Demonstration der präzisen räumlichen Kontrolle über Femtosekunden-Elektronenpulse durch Emission von einer metallischen Spitze im Nanomaßstab belegt wurde. Das zweite ist die Untersuchung von Elektronenemissionsmustern von molekularen und nanoskaligen Strukturen. Beispiele umfassen Designs, die Spitzenarchitekturen von Nanoröhren und Nanodrähten darstellen, die sich ändern, wenn sich die Spitze während des Nanoröhrenwachstums entwickelt. Yanagisawa und Kollegen kombinierten ultraschnelle Emissions- und Emissionsmikroskopietechniken und zeigten, dass Emissionsmuster eng mit bestimmten chemischen Orbitalen zusammenhängen können.
Molekulare Orbitalstudien
Die Wissenschaftler beschichteten eine Wolframspitze mit einer Schicht aus C60-Molekülen (auch bekannt als „Buckyballs“). Einzelne C60-Moleküle traten aus der Schicht aus und emittierten Elektronen aus dem darunter liegenden Wolframreservoir, wenn sie einem starken elektrischen Feld ausgesetzt wurden. Wenn das Emissionsmuster auf einen Leuchtstoffschirm projiziert wurde, erschienen Muster wie Punkte, Ringe, Kreuze oder "zweiblättrige" Muster, die nahezu die räumlichen Symmetrien der leeren Molekülorbitale von C60 widerspiegelten, durch die Elektronen auf dem Emissionspfad liefen. Basierend auf Berechnungen mit der Dichtefunktionaltheorie (DFT) konnten die Forscher diese Muster reproduzieren.
Yanagisawa und Kollegen beobachteten zuerst Emissionsmuster unter einem starken elektrischen Feld, schwächten dann das Feld erheblich ab, um eine feldinduzierte Emission zu vermeiden, und verwendeten stattdessen Laserpulse, um die Spitze zu beleuchten, um eine Zwei-Photonen-Photoelektronenemission zu erzeugen. Wenn eine Photoelektronenemission auftrat, drückte die Zwei-Photonen-Anregungsenergie die Elektronen über das Fermi-Niveau, als sie ein leeres C-Orbital nahe dem Fermi-Niveau des Wolframreservoirs passierten, im Gegensatz zur feldinduzierten Emission. Elektronen haben einen zusätzlichen Schub erhalten, der es ihnen ermöglicht, ein neues, energiereicheres, leeres Molekülorbital zu passieren. Die Forscher entdeckten, dass sich das Emissionsmuster beim Umschalten zwischen Feldemission und Photoemission entsprechend ändert.
Diese Ergebnisse unterstützen daher stark die Idee, dass die Anregungsenergie bestimmt, welche chemischen Orbitale Elektronen passieren, bevor sie das C60-Molekül verlassen. Darüber hinaus zeigten sie im Einklang mit dieser Erkenntnis, dass selbst spontane Änderungen des Emissionsmusters während der reinen Feldemission auf die Öffnung neuer Molekülorbitale zurückzuführen sind, die als Folge kleiner thermischer Verschiebungen des Moleküls als Emissionspfade genutzt werden können Energie.
Die zugrunde liegende elektronische Struktur eines Moleküls wurde verwendet, um die räumliche Kontrolle der Elektronenemission im Subnanometerbereich zu demonstrieren, was den Weg für eine faszinierende neue Methode zur Schaffung von Elektronenquellen mit präzisen und wünschenswerten Emissionseigenschaften ebnet. Als Beitrag zur Entwicklung der Elektronikindustrie in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts sind Vakuumgeräte immer noch sehr wichtig für Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungsanwendungen, da sich Elektronen im Vakuum frei bewegen. Vakuumelektronische Bauelemente im Nanomaßstab werden immer wünschenswerter, da es schwieriger wird, die Festkörpertechnologie herunterzuskalieren. Es wird spannend sein zu beobachten, wie die aktuellen Arbeiten voranschreiten. Werden Emissionszeitpunkt und Rauschen im Emissionsstrom durch die Orientierung über bestimmten chemischen Orbitalen beeinflusst? Welche Auswirkungen hat dies auf die elektronenoptischen Eigenschaften?
Lassen sich ähnliche Ergebnisse auch mit anderen molekularen Strukturen erzielen – man denke da sofort an Kohlenstoffnanoröhren? Viele Anwendungen sind möglich, darunter Vakuumtransistoren, hochkohäsive Elektronen-Emitter-Arrays und Desktop-Beschleuniger.
Ungeachtet dieser potenziellen Zukunftswirkungen ist die Arbeit an sich faszinierend. Wir sind uns der starken Wechselwirkungen zwischen Elektronen bewusst. Die Mehrkörperwellenfunktion ist der Grundstein für die genaue Darstellung jedes Systems, ob es sich um ein Molekül, ein nanoskaliges Element oder eine makroskopische Masse handelt. Molekülorbitale, die Einzelelektronenfunktionen sind, werden in der DFT verwendet, weil ihre Gültigkeit ungefähr ist, aber weil sie mathematisch und intuitiv bequem sind.
Glücklicherweise ist es der DFT und sogar einfachen Einzelelektronenmodellen gelungen, eine Vielzahl von Materialsystemen genau zu beschreiben, aber dieser Erfolg sollte nicht als selbstverständlich angesehen werden. Beispielsweise erfordern stark korrelierte Materialien manchmal komplexere Manipulationen oder zumindest Korrekturen an Einzelelektronenmodellergebnissen. Die Arbeit von Yanagisawa et al. gibt uns einen direkten visuellen Zugang zu DFT-Orbitalen in einem Molekül, was die Idee von Einzelelektronen-Wellenfunktionen empirisch weiter unterstützt.
Quelle: physical.aps.org/articles/v16/35
Günceleme: 09/03/2023 11:06