Tek tek elektronları subnanometre ve subfemtosaniye hassasiyetle kontrol edebilen bir cihaz, en son olarak geliştirilen küçük elektronik cihaz olabilir. Elektronların nano ölçekli bir yayıcıdan hedef elektroda vakum yoluyla gittiği vakumlu nanoelektronikte, son birkaç on yılda ultra hızlı elektronik süreçlerin kontrolünde muazzam bir ilerleme kaydedildi.
Katıların Elektronik Yapısı
Japonya Bilim ve Teknoloji Ajansı’ndan Hirofumi Yanagisawa ve arkadaşları, elektron emisyonunu kontrol etmek için tek bir molekülün orbitallerini kullanarak, optimum uzaysal kontrolün sağlanmasına yönelik önemli bir ilerleme kaydettiler. Bu yöntem, yüksek düzeyde düzenlenmiş elektron yayıcılar yaratma şansı verirken, katıların elektronik yapısında moleküler orbitallerin işlevi hakkındaki bilgilerimizi de geliştiriyor.
Elektron Emisyonu Üzerine Yapılan Çalışmalar
Elektronların yayıcıdan yayıldığı noktayı belirlemek, elektron emisyonu üzerinde olağanüstü bir kontrol sağlamak için çok önemlidir. Yöntemlerden biri, istenen nokta desenini oluşturmak için yayıcının malzemesini fiziksel olarak kalıplamaktır. Ancak bunu nanometre altı ölçekte yapmak, malzeme ve üretimle ilgili önemli zorluklar ortaya çıkaracaktır. Bunun yerine Yanagisawa ve arkadaşları, bir molekülün doğuştan gelen elektronik yapısını kullanarak emisyon için elektronları yönlendirmenin parlak bir fikir olduğunu göstermişlerdir. Emisyon modeli esasen moleküler orbitaller tarafından uzamsal olarak filtrelenir.
Ekibin araştırmaları, son yıllarda önemli ilerlemeler kaydedilen iki ana alandan kaynaklanmaktadır. Bunlardan biri, femto- ve attosaniye elektron dinamiklerinin araştırılmasına ve nano ölçekli bir metalik uçtan emisyon yoluyla femtosaniye elektron darbeleri üzerinde hassas uzamsal kontrolün 2006’da gösterilmesiyle kanıtlandığı gibi ultra hızlı elektron kaynaklarının geliştirilmesine odaklanmaktadır. Moleküler ve nano ölçekli yapılardan gelen elektron emisyon modellerinin araştırılması ise ikincisidir. Örnekler arasında nanotüp ve nanotel uç mimarilerini temsil eden ve nanotüp büyümesi sırasında uç geliştikçe değişen tasarımlar bulunmaktadır. Yanagisawa ve meslektaşları, ultra hızlı emisyon ve emisyon mikroskopisi tekniklerini birleştirerek emisyon modellerinin belirli kimyasal orbitallerle yakından ilişkili olabileceğini göstermiştir.
Moleküler Orbital Çalışmaları
Bilim insanları bir tungsten ucunu C60 moleküllerinden (“buckyballs” olarak da bilinir) oluşan bir katmanla kapladılar. Tek tek C60 molekülleri katmandan çıktı ve güçlü bir elektrik alanına maruz kaldıklarında alttaki tungsten rezervuarından gelen elektronları yaydı. Emisyon deseni bir fosfor ekrana yansıtıldığında, elektronların emisyon yolunda geçtiği C60’ın boş moleküler orbitallerinin uzamsal simetrilerini neredeyse yansıtan nokta, halka, çapraz veya “iki yapraklı” desen gibi desenler ortaya çıktı. Yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT) kullanılarak yapılan hesaplamalara dayanarak, araştırmacılar bu desenleri çoğaltmayı başardılar.
Yanagisawa ve çalışma arkadaşları ilk olarak güçlü bir elektrik alanı altında emisyon modellerini gözlemlemiş, ardından alan kaynaklı emisyonu önlemek için alanı önemli ölçüde zayıflatmış ve bunun yerine iki fotonlu fotoelektron emisyonu oluşturmak amacıyla ucu aydınlatmak için lazer darbeleri kullanmışlardır. Fotoelektron emisyonu meydana geldiğinde, iki fotonlu uyarma enerjisi, alan kaynaklı emisyonun aksine, elektronları tungsten rezervuarının Fermi seviyesine yakın boş bir C60 orbitalinden geçtiklerinde Fermi seviyesinin üzerine itti. Elektronlara yeni, daha yüksek enerjili boş bir moleküler orbitalden geçmelerini sağlayan ek bir destek verildi. Araştırmacılar, alan emisyonu ve fotoemisyon arasında geçiş yaparken emisyon modelinin buna göre değiştiğini keşfetti.
Dolayısıyla bu bulgular, uyarma enerjisinin elektronların C60 molekülünü terk etmeden önce hangi kimyasal orbitallerden geçeceğini belirlediği fikrine güçlü bir destek sağlamaktadır. Ayrıca, bu bulgu doğrultusunda, saf alan emisyonu sırasında emisyon modelindeki spontane değişikliklerin bile, termal enerjinin neden olduğu molekülün küçük yer değiştirmelerinin bir sonucu olarak emisyon yolları olarak kullanılmak üzere yeni moleküler orbitallerin açılmasına atfedilebileceğini göstermişlerdir.
Bir molekülün altta yatan elektronik yapısı, elektron emisyonunun nanometre altı uzaysal kontrolünü göstermek için kullanıldı ve hassas ve arzu edilen emisyon özelliklerine sahip elektron kaynakları oluşturmak için büyüleyici yeni bir yöntemin önünü açtı. Elektronik endüstrisinin 20. yüzyılın ilk yarısındaki gelişimine katkıda bulunan vakum cihazları, elektronların vakumda serbestçe hareket etmesi nedeniyle yüksek hızlı ve yüksek güçlü uygulamalarda hala çok önemlidir. Katı hal teknolojisinin küçültülmesi zorlaştıkça nano ölçekli vakumlu elektronik cihazlar giderek daha fazla arzu edilir hale gelmektedir. Mevcut çalışmanın nasıl ilerlediğini gözlemlemek büyüleyici olacak. Emisyon zamanlaması ve emisyon akımındaki gürültü, belirli kimyasal orbitaller üzerinden yönlendirmeden etkilenecek mi? Bunun elektron-optik özellikler üzerinde ne gibi etkileri olacak?
Benzer sonuçlar diğer moleküler yapılarla da -akla hemen karbon nanotüpler geliyor- elde edilebilir mi? Vakum transistörleri, son derece uyumlu elektron yayıcı dizileri ve masaüstü hızlandırıcıları da dahil olmak üzere birçok uygulama mümkündür.
Gelecekteki bu potansiyel etkilerden bağımsız olarak, çalışmanın kendisi büyüleyici. Elektronlar arasındaki güçlü etkileşimlerin farkındayız. Çok cisimli dalga fonksiyonu, ister bir molekül, ister nano ölçekli bir öğe, ister makroskopik kütle olsun, herhangi bir sistemin doğru temsili için köşe taşıdır. Tek elektronlu fonksiyonlar olan moleküler orbitaller, geçerlilikleri yaklaşık olsa da matematiksel ve sezgisel olarak uygun oldukları için DFT’de kullanılır.
DFT’nin ve hatta basit tek-elektron modellerinin çok çeşitli malzeme sistemlerini doğru bir şekilde tanımlamayı başarmış olması büyük bir şanstır, ancak bu başarıya kesin gözüyle bakılmamalıdır. Örneğin, güçlü korelasyonlu malzemeler zaman zaman daha karmaşık işlemlere ya da en azından tek elektronlu model sonuçlarında düzeltmelere ihtiyaç duymaktadır. Yanagisawa ve arkadaşlarının çalışması bize bir moleküldeki DFT orbitallerine doğrudan görsel erişim sağlayarak tek elektronlu dalga fonksiyonları fikrini ampirik açıdan daha da desteklemektedir.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v16/35
