원자공학

Atomic engineering

원자 공학은 전통적인 나노 공학보다 한 단계 낮은 원자 수준의 재료 공학 규모와 관련된 공학 분야입니다. 원자 공학은 주사 터널링 현미경(예: IBM 원자 및 STM 리소그래피)과 광학 트위저를 포함하는 원자 조작의 하위 집합이지만 주요 차이점은 원자 공학이 실온 및 주변 안정성을 강조한다는 사실에 있습니다. 원자 호핑, 원자 동적 제어, 원자 단조와 같이 최근에 개발된 전자 현미경을 기반으로 한 원자 제어 기술은 원자 공학을 실현하는 데 한 가닥 희망을 던져줍니다. 이러한 기술은 (3D 프린팅과 같은) 적층 제조가 아니라 원자가 자연 그대로의 결정에서 녹아웃되는 감산 제조 또는 원자를 대체할 수 있는 대체 제조의 일부로 간주됩니다. 따라서 원자 공학은 결함 공학과 같은 다른 개념과 겹치지만 추가적인 원자 공간 정밀도와 겹칩니다. 상기 기술에서 전자 조사를 활용하는 본질은 원자 공학과 원자 공학을 연관시키는 것이기도 합니다. 원자 공학이라는 용어는 2020년 상온 원자 조작을 설명하는 데 공식적으로 사용되었습니다.

기원.

원자 공학이라는 용어는 1946년 테오도르 폰 카르만에 의해 처음 사용된 것으로 보입니다.[8]

"그리고 이제 우리는 새로운 원자력 시대의 문턱에 와 있는 것 같습니다. 이것이 사실인지 아닌지는 모르겠지만, 확실히 우리는 전력과 운송 분야에서 '원자 공학'을 가질 것입니다. 우리는 관련된 문제에 대해 준비가 되어 있습니까?

원자 공학의 정의는 두 가지로 발전했습니다: (1) 고체 물질의 원자 구조를 실온에서 단일 원자의 정밀도로 변경하는 관행과 (2)[9] 공기 및 실온에서 이상적으로 안정적인 원자 구조를 과학 및 공학 응용을 위해 활용하는 관행.

포괄적인 정의는 "엔지니어링 응용을 위해 물질의 원자적 특성을 활용하는 것"입니다. 예를 들어, 원자 시계와 초저온 원자의 잠재적 응용은 원자 공학에 속합니다. 원자 문자는 원자 스핀(예: 핵 자기 공명 및 양자 컴퓨팅 응용 분야), 원자 위치(예: 광학 격자), 원자 질량(예: 원자력) 등이 될 수 있습니다.[10]

리처드 파인먼은 1959년에 발표한 소형화 추세에 대한 유명한 강연 "바닥에는 충분한 공간이 있다"에서 다음과 같이 구상했습니다.

"하지만 저는 궁극적으로 – 위대한 미래에 – 우리가 원하는 방식으로 원자를 배열할 수 있는지에 대한 마지막 질문을 고려하는 것이 두렵지 않습니다. 바로 그 원자들, 아래까지! 원자들을 우리가 원하는 방식으로 하나씩 배열할 수 있다면 어떻게 될까요? … 우리가 7개의 원자로 구성된 회로와 같은 매우 작은 세계에 도달하면, 우리는 완전히 새로운 디자인 기회를 나타내는 많은 새로운 일들이 일어날 것입니다. 작은 규모의 원자는 양자역학 법칙을 만족시키기 때문에 큰 규모에서는 아무것도 아닌 것처럼 행동합니다. 그래서 우리가 아래로 내려가서 원자들을 만지작거리면서, 우리는 다른 법칙들을 가지고 작업을 하고 있고, 우리는 다른 일들을 할 것으로 기대할 수 있습니다. 우리는 다양한 방법으로 제조할 수 있습니다. 우리는 회로뿐만 아니라 양자화된 에너지 준위 또는 양자화된 스핀의 상호작용 등을 포함하는 시스템을 사용할 수 있습니다."[11]

오늘날 나노기술과 재료과학의 대부분의 관행은 개별 원자 위치와 스핀을 조작하는 파인만의 궁극적인 비전과 구별되는 초점을 가지고 있으며, 이는 "원자 공학"에 의해 더 잘 설명될 수 있습니다. 1펨토미터(원자핵 크기)에서 1나노미터(선형 차원에서 약 5개의 원자)까지의 특징적인 길이 척도를 다룹니다. 질소-공백 중심과 같은 개별 원자 결함에 대한 일관된 양자 제어와 궁극적으로 "3D 원자 인쇄"(2D 원자 인쇄)는 1990년 IBM이 주사 터널링 현미경을 사용하여 실현함) 파인먼의 궁극적인 비전에 적합합니다. 최근 실리콘 표면에서 수소의 STM을 이용한 원자 수준 조작의 시연은 원자 리소그래피로 이어집니다.

전자현미경이 결정의 원자 구조를 수정하는 대안을 발견했습니다. 전자 조사 손상(방사선 손상 참조)은 전자 현미경 기반 특성화의 단점이었지만 제어 가능한 방식으로 활용할 경우 원자 정밀도에서 원자 구조를 수정하는 데 사용할 수 있습니다.

Sergei V. Kalinin은 전자 빔을 사용하여 개별 원자를 조작하고 원자 구조를[16][17][18] 만드는 Atom Forge를 제안했습니다. MIT의 Cong Su 등은 전자 조사를 사용하여 2D 물질의 충돌 후 단일 원자 운동량에 영향을 미치고 실시간으로 개별 점 결함의 구성을 제어했습니다.[19]

2019년, 에너지부(DOE)는 실온 응용을 위한 원자 제어의 중요성을 인식하는 원자 정밀 제조(APM) 프로그램을 시작합니다.

참고문헌

  1. ^ Achal, Roshan; Rashidi, Mohammad; Croshaw, Jeremiah; Churchill, David; Taucer, Marco; Huff, Taleana; Cloutier, Martin; Pitters, Jason; Wolkow, Robert A. (2018-07-23). "Lithography for robust and editable atomic-scale silicon devices and memories". Nature Communications. 9 (1): 2778. Bibcode:2018NatCo...9.2778A. doi:10.1038/s41467-018-05171-y. ISSN 2041-1723. PMC 6056515. PMID 30038236.
  2. ^ Susi, Toma; Kotakoski, Jani; Kepaptsoglou, Demie; Mangler, Clemens; Lovejoy, Tracy C.; Krivanek, Ondrej L.; Zan, Recep; Bangert, Ursel; Ayala, Paola; Meyer, Jannik C.; Ramasse, Quentin (2014-09-11). "Silicon--Carbon Bond Inversions Driven by 60-keV Electrons in Graphene". Physical Review Letters. 113 (11): 115501. arXiv:1407.4274. Bibcode:2014PhRvL.113k5501S. doi:10.1103/PhysRevLett.113.115501. PMID 25259987.
  3. ^ Su, Cong; Tripathi, Mukesh; Yan, Qing-Bo; Wang, Zegao; Zhang, Zihan; Hofer, Christoph; Wang, Haozhe; Basile, Leonardo; Su, Gang; Dong, Mingdong; Meyer, Jannik C.; Kotakoski, Jani; Kong, Jing; Idrobo, Juan-Carlos; Susi, Toma (2019-05-03). "Engineering single-atom dynamics with electron irradiation". Science Advances. 5 (5): eaav2252. arXiv:1803.01369. Bibcode:2019SciA....5.2252S. doi:10.1126/sciadv.aav2252. ISSN 2375-2548. PMC 6524980. PMID 31114798.
  4. ^ Kalinin, Sergei V.; Borisevich, Albina; Jesse, Stephen (November 2016). "Fire up the atom forge". Nature. 539 (7630): 485–487. doi:10.1038/539485a. ISSN 1476-4687. PMID 27882987.
  5. ^ Jiang, Jie; Xu, Tao; Lu, Junpeng; Sun, Litao; Ni, Zhenhua (January 2019). "Defect Engineering in 2D Materials: Precise Manipulation and Improved Functionalities". Research. 2019. Bibcode:2019Resea201941739J. doi:10.34133/2019/4641739. ISSN 2639-5274. PMC 6944491. PMID 31912036.
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  7. ^ Su, Cong (2020). Atomic engineering on 2D materials using electron irradiation and chemical protection (Thesis). Doctoral Thesis. Massachusetts Institute of Technology. hdl:1721.1/129931.
  8. ^ 테오도르 폰 카르만, "원자 공학?", 응용 물리학 저널 17(1946) 2-3.
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  10. ^ "Atomic Physics: 8th Edition". Dover Publications. Retrieved 2024-03-23.
  11. ^ 리처드 P. 파인먼, "바닥에는 충분한 공간이 있다", 칼텍 공학 및 과학 23(5), 22(1960).
  12. ^ D. M. EIGLER 및 E. K. Schweizer, "스캐닝 터널링 현미경으로 단일 원자 위치 지정", 네이처 344(1990) 524-526.
  13. ^ "There's Plenty of Room at the Bottom", Wikipedia, 2023-12-27, retrieved 2024-03-23
  14. ^ Achal, Roshan; Rashidi, Mohammad; Croshaw, Jeremiah; Churchill, David; Taucer, Marco; Huff, Taleana; Cloutier, Martin; Pitters, Jason; Wolkow, Robert A. (2018-07-23). "Lithography for robust and editable atomic-scale silicon devices and memories". Nature Communications. 9 (1): 2778. Bibcode:2018NatCo...9.2778A. doi:10.1038/s41467-018-05171-y. ISSN 2041-1723. PMC 6056515. PMID 30038236.
  15. ^ Tripathi, Mukesh; Mittelberger, Andreas; Pike, Nicholas A.; Mangler, Clemens; Meyer, Jannik C.; Verstraete, Matthieu J.; Kotakoski, Jani; Susi, Toma (2018-08-08). "Electron-Beam Manipulation of Silicon Dopants in Graphene". Nano Letters. 18 (8): 5319–5323. arXiv:1712.08755. Bibcode:2018NanoL..18.5319T. doi:10.1021/acs.nanolett.8b02406. ISSN 1530-6984. PMC 6089495. PMID 29945442.
  16. ^ "Fire up the atom forge ORNL".
  17. ^ 세르게이 V. 칼리닌, 알비나 보리세비치와 스티븐 제시, "원자 단조를 불태워라", 네이처 539권 (2016) 485–487.
  18. ^ "Kalinin's Atomic-Scale Building Research Featured in Physics Today". 5 July 2022.
  19. ^ C. Su, M. Tripathi, Q-B. Yan, Z-G. Wang, Z-H. Zhang, C. 호퍼, H-Z. 왕, L. Basile, G. Su, M-D. Dong, J.C. 마이어, J. 코타코스키, J. 콩, J. C. 이드로보, T. Susi와 J. Li, "전자 조사를 통한 단일 원자 역학 공학", Science Advances 5 (2019) eav2252.
  20. ^ DOE (October 2019). "Atomically Precise Manufacturing (APM)".