Single-Atom Switches and Single-Atom Gaps Using Stretched Metal Nanowires

본 연구는 인장된(stretched) 금속 나노와이어(metal nanowire) 구조에서 단일 원자의 이동에 의한 전기적 스위칭 현상을 관측한 연구이다. 인장된 금속 나노와이어 구조는 기계적인 방법으로 나노갭 크기의 접합(mechanically controllable break junction; MCBJ)을 형성하는 기법으로 제작하였고, 여기에 전압을 걸어서 electromigration 현상에 의해 인장된 나노와이어 구조에서 개별 원자를 빼어내거나 넣어서 양자적 전도성(quantized conductance)의 가역적(reversible) 스위칭 현상을 관측하였다. 또한 원자를 이동시켜서 나노와이어가 끊어지면서 원자 크기 수준의 나노갭(nanogap)을 안정적으로 형성할 수 있음을 보여주었다. 이런 원자크기의 나노갭 구조는 추후 분자레벨의 접합(molecular junction)에 유용할 것이다. 본 연구는 이탁희 교수 연구실에서 포닥을 거쳐서 현재 중국의 Nankai 대학에 재직 중인 Dong Xiang 교수의 연구팀과의 공동연구로 수행되었다.


Abstract: Utilizing individual atoms or molecules as functional units in electronic circuits meets the increasing technical demands for the miniaturization of traditional semiconductor devices. To be of technological interest, these functional devices should be high-yield, consume low amounts of energy, and operate at room temperature. In this study, we developed nanodevices called quantized conductance atomic switches (QCAS) that satisfy these requirements. The QCAS operates by applying a feedback-controlled voltage to a nanoconstriction within a stretched nanowire. We demonstrated that individual metal atoms could be removed from the nanoconstriction and that the removed metal atoms could be refilled into the nanoconstriction, thus yielding a reversible quantized conductance switch. We determined the key parameters for the QCAS between the “on” and “off” states at room temperature under a small operating voltage. By controlling the applied bias voltage, the atoms can be further completely removed from the constriction to break the nanowire, generating single-atom nanogaps. These atomic nanogaps are quite stable under a sweeping voltage and can be readjusted with subangstrom accuracy, thus fulfilling the requirement of both reliability and flexibility for the high-yield fabrication of molecular devices

ACS Nano, Article ASAP
DOI: 10.1021/acsnano.6b05676
Publication Date (Web): October 5, 2016