结合辐照和光刻技术设计先进导电材料

首次发表于ANSTO

由卧龙冈大学(University of Wollongong)领导的大型研究人员合作，利用ANSTO的核技术和其他方法开发了一种工艺，为先进的可伸缩电子电路设计纳米级导电通道阵列。

据一份纸在自然通讯，研究人员在碲化锑(锑)上创建了拓扑表面边缘状态的模式₂Te_3.)，使表面边缘导电，而下面的大块层仍然是绝缘体。

所制备的材料是一种三维拓扑绝缘体，这是一种在体中具有绝缘能量间隙和无间隙导电边缘或表面状态的新物质状态。

辐照使原子移位，使表面从结晶态转变为无序的玻璃态。

ANSTO仪器科学家David Cortie博士解释说:“这项研究回答了一个基本问题，如果晶体形式的拓扑材料在受到强烈的晶格无序时可以转变雷竞技苹果版为玻璃状拓扑绝缘体。”他是未来低能源技术(FLEET)中心的研究副研究员，监督主要作者Abdulhakim Bake。

“我们的研究表明，即使根据过去的理论，在特殊情况下可能发生转变，也不存在普遍的途径，而像碲化锑这样的材料则被转化为所谓的普通绝缘体。”

FLEET的科学家先前的研究表明，拓扑绝缘体可以作为晶体管的“开”状态，电流由导电边携带。这使他们能够克服晶体管中电子流的传统障碍。

科尔蒂博士说:“我们提出的问题可能对该领域外的人来说听起来有点学术，而且无趣。”

“但这是相当重要的，因为它可能掌握着设计和制造使用核技术的节能量子电子所需的数万亿晶体管的关键。

离子束注入在很长一段时间内通常被用于通过定制掺杂来修改材料的性质，例如硅的掺杂，实际上是加速器的第二大工业用途(仅次于医疗)。

然而，直到最近，这种方法还没有在二维材料和拓扑绝缘体中得到证明，这被广泛认为是量子电子类型的一个有前途的平台。

在Cortie团队的工作中，使用伍伦贡大学的聚焦离子束(FIB)仪器，在低能量(5-30 keV)的镓离子在不同的影响下，在材料的薄片上蚀刻横向图案。镓离子只能穿透材料几纳米。

研究人员能够将离子束和实现各种形式的光刻尺寸小于20纳米。

在不同温度下通过三种界面进行的离子辐照改变了原子结构和电子性质。

重要的是，表面电导率的变化发生在室温下，这表明电子结构发生了根本性的变化。为了证明这一点，关键的导电原子力显微镜测量是由新南威尔士大学女性舰队研究员Peggy Zhang博士进行的。

x射线衍射和横断面透射电子显微镜证实了相变，并使用x射线反射仪和中子反射仪进行进一步实验，以获得实现转换的最佳离子束剂量。

中子反射术上的新Spatz我nstrument验证了薄膜的厚度和形貌，确认了辐照后材料的化学成分保持不变。

“这里的技巧是对辐射剂量或我们通常所说的离子影响的明智选择。如果照射不足，结构几乎不会发生变化，同时，如果过度照射，则会通过溅射破坏材料。我们确认了我们找到了变质的最佳位置，”Cortie博士说。

新的x射线反射仪在澳大利亚中子散射中心确定了Sb的取向和结晶₂Te_3.在纳米级植入区域以下。

虽然早期的工作使用的是聚焦离子束仪器，它仅限于非常小的亚毫米图案区域，但研究人员后来能够证明这种方法也适用于大晶圆尺寸的区域厘米²使用多功能低能量(1-50 keV)离子注入器(LEII)在薄膜上小天狼星accelerato我在安斯托加速器科学中心．

“我们的植入器被优化到比聚焦离子束仪器更大的区域植入离子。我们通过一个面罩将其植入覆盖面积从毫米到厘米，”加速器科学家Zeljko Pastuovic博士解释道。

几种不同类型的材料进行了辐照，包括碲化锑、碲化铋和硒化铋。

“我们的系统非常灵活，可以运行许多不同类型的离子，从轻气体到金属目标。”

加速器科学中心支持离子注入电子电路的研究，用于工业和空间应用。

合作机构包括卧龙岗大学、FLEET、新南威尔士大学悉尼分校、皇家墨尔本理工大学、慕尼黑工业大学、上海理工大学和莫纳什大学。

澳大利亚中子散射中心在半导体/量子技术领域有许多合作，包括领先的国际实验室。ANSTO与Quantum Brilliance等澳大利亚公司合作。

“非晶态和准晶体拓扑绝缘体的问题在该领域引起了极大的关注。我们的工作提供了一些初步实验，应该对许多在这一领域工作的人有用，”Cortie博士说。

“在技术方面，我也相信我们已经揭示了一条非常有用的途径，可以利用离子束来定义表面电子学。”

使用聚焦离子束的拓扑表面和边缘状态的自上而下模式发表于自然通讯2023年3月(DOI 10.1038/s41467-023-37102-x)

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• 联系David Cortie博士dcr@ansto.gov.au
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