Nanorakenteiden sotkuja selvitellen

Elektroniikan pienentyessä tutkijat suunnittelevat uusia piirirakenteita erittäin ohuista nanokerroksista. Näiden pienten rakenteiden sisäisten yksityiskohtien tutkiminen siten, ettei niiden alkuperäinen rakenne tuhoudu, on erittäin vaikeaa.

Nanoarkkeja käytetään vaikkapa seuraavan sukupolven komponenteissa kuten Gate-All-Around Field Effect Transistoreissa (GAAFET).

Hyödyntämällä National Synchrotron Light Source II:n (NSLS-II) tehokasta röntgensädelähdettä ja erikoisoptiikan tarjoamaa erotuskykyä tutkijat pystyivät tunnistamaan kaksi kilpailevaa mekanismia eri pituusskaaloilla, jotka vaikuttavat näiden rakenteiden muodonmuutokseen.

Ensimmäinen, pitkän kantaman ja aiemmin tunnettu mekanismi johtuu eri elementtien hilavakion epäsuhtaista ja relaksaatiovaikutuksesta reunojen lähellä. Toinen, paljon lyhyemmän kantaman vaikutus, liittyy itse kerrostumiseen ja on hallitseva nanolevyn paksuuden mittaisella pituusskaalalla reunasta mitattuna.

Nämä uudet havainnot voisivat auttaa tutkijoita ennustamaan tulevien rakenteiden olennaisia suorituskykyparametreja, kuten varauksenkuljettajien liikkuvuutta.

Aiemmin keväällä Brookhaven Labin ja Pacific Northwest National Laboratoryn (PNNL) tutkijat löysivät odottamattoman rajapintakerroksen, joka saattaa haitata kvanttitietokoneiden rakenneosien, suprajohtavien kubittien, suorituskykyä. Työssä tutkittiin suprajohtavia kubitteja, jotka koostuvat safiirialustalle kerrostetusta tantaaliohutkalvosta.

Tutkiessaan tätä kerrosta kuvantamistekniikoiden ja teoreettisten mallien yhdistelmällä he löysivät kubittien hämmentävien rakenteellisten erojen taustalla olevan syyn.

Tutkijat odottivat näkevänsä puhtaan rajapinnan tantaalin ja substraatin välillä mutta mittaukset osoittivat, että rajapinnassa oli jotain tutkijatermein ilmaistuna mielenkiintoisempaa.

Sieltä löytyi tantaaliatomien kerros, joka oli sekoittunut alumiini- ja happiatomien kanssa. Lisäksi havaittiin myös safiirille kerrostuneen tantaalin ohutkalvon erilaisia orientaatioita.

Laitoksen miltei kaikkea ympäri maata sijaitsevaa laskentatekniikkaa käyttäen selvisi, että safiirisubstraatin pinnan happipitoisuudella on merkittävä rooli tantaalin kerrostumisen suunnassa. Toisin sanoen, jos substraatin pinnalla on korkea happipitoisuus, tantaali kerrostuu yhdessä suunnassa. Jos safiirin pinnalla on alhainen happipitoisuus, tantaali kerrostuu toisessa suunnassa.

Ymmärtämällä paremmin tantaalin eri orientaatioiden syitä tutkijat pystyvät nyt säätämään kubitin valmistuksen eri osa-alueita hallitakseen hapen määrää substraatin pinnalla ja siten tantaalin laskeuman suuntaa. Vaikka he eivät vielä tiedä, mikä orientaatio – tai orientaatioiden yhdistelmä – optimoi kubitin suorituskyvyn, tämä on yksi tulevaisuuden tutkimuksen suunta.

Aiheesta aiemmin:

Metastabiilia tilaa metsästäen

Jännitystä aurinkoenergian keräämiseen

Uutta tekniikkaa 2D-materiaalin venytyksellä