结合辐照和光刻技术来设计先进的导电材料

由卧龙岗大学领导的研究人员的大型合作利用ANSTO的核技术和其他方法开发了一种工艺，为先进的可扩展电子电路设计纳米级导电通道阵列。

正如《自然通讯》上的一篇论文所报道的那样，研究人员在碲化锑(Sb2特3)，使表面边缘导电，而下面的主体层仍然是绝缘体。

制备的材料是3D拓扑绝缘体，这是一种新的物质状态，具有本体绝缘能隙和无间隙导电边缘或表面状态。

辐照使原子位移，导致表面从结晶转变为无序的玻璃态。

“这项研究回答了一个基本问题，如果拓扑材料的晶体形式在受到强晶格无序的影响时可以转化为玻璃状拓扑绝缘体，”ANSTO仪器科学家David Cortie博士解释说，他是未来低能耗技术(FLEET)中心的研究副研究员，他监督主要作者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以转化，也没有通用的途径，材料，如碲化锑，被转化为所谓的微不足道的绝缘体。

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

“我们解决的问题听起来可能有点学术性，对领域外的人来说并不有趣，”Cortie博士说。“但它相当重要，因为它可能是设计和制造使用核技术实现节能量子电子所需的数万亿个晶体管的关键。

离子束注入在很长一段时间内一直被普遍使用，通过定制掺杂来改变材料的性能，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2D材料和拓扑绝缘体中得到证明，它们被广泛认为是量子电子学类型的有前途的平台。

在Cortie团队的工作中，使用卧龙岗大学的聚焦离子束(FIB)仪器在不同能量下使用低能量(5-30 keV)的镓离子在材料的薄片上蚀刻横向图案。镓离子仅渗透到材料中几纳米。

研究人员能够结合离子束和各种形式的光刻技术，以实现小于20纳米的尺寸。

在不同温度下用三种类型的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，表明电子结构发生了根本性的变化。为了证明这一点，关键的传导原子力显微镜测量由新南威尔士大学女性舰队研究员Peggy Zhang博士进行。

X射线衍射和横截面透射电子显微镜证实了相变，并使用X射线反射计和中子反射计的进一步实验来深入了解实现转换的最佳离子束剂量。

新型Spatz仪器上的中子反射仪验证了薄膜的厚度和形态，并确认材料在照射后保持相同的化合物。

“这里的诀窍是明智地选择照射剂量或我们通常所说的离子通量。如果照射不足，结构几乎没有发生，同时，如果过度照射，则会通过溅射破坏材料。我们确认我们找到了非晶化的最佳点，“Cortie博士说。

澳大利亚中子散射中心的新型X射线反射仪证实了Sb的方向和结晶2特3低于纳米级植入区域。

虽然早期的工作使用了聚焦离子束仪器，该仪器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该方法也适用于大晶圆尺寸的区域cm2在ANSTO加速器科学中心的天狼星加速器上使用多功能低能量(1-50 keV)离子注入器(LEII)来调整薄膜尺寸。

“我们的注入器经过优化，可以在比聚焦离子束仪器更大的区域内注入离子。我们通过面罩植入从毫米到厘米的覆盖区域，“加速器科学家Zeljko Pastuovic博士解释说。

对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工业和空间应用中电子电路的离子注入研究。

合作组织包括卧龙岗大学、FLEET、新南威尔士大学、RMIT、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和澳大利亚公司，如量子辉煌。

“非晶态和准晶体拓扑绝缘体的问题引起了该行业的极大关注。我们的工作提供了一些最初的实验，应该对许多在这个领域工作的人有用，“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，利用离子束来定义表面电子学的可扩展拓扑电子学。