研究人员开发出一种技术，能够直接从单晶体中雕刻出复杂的三维纳米器件。为展示其强大功能，他们用磁性材料雕刻出微型螺旋结构，发现这些结构具有类似可切换二极管的行为特性。电流倾向于单向流动，但通过改变磁化方向或螺旋扭曲度可以翻转这一效应。该发现表明，几何形态本身可作为电子设计的工具。
采用复杂三维形状制造的电子器件，可能比当今的平面器件更小、更高效、功能更强大。尽管潜力巨大，但研究人员制造此类结构的方法一直有限。现有的制造方法通常会限制可使用的材料，并可能影响最终器件的质量。
利用聚焦离子束进行精密切割
在这项发表于《自然·纳米技术》的新研究中，研究人员通过使用能够进行亚微米级精密切割的聚焦离子束，应对了这些挑战。这种控制水平原则上允许使用几乎任何晶体材料来制造三维器件。该过程类似于雕刻，即从固体块上小心地去除材料，直到获得所需的形状。
为了展示该方法的能力，研究团队利用磁性晶体Co3Sn2S2制造了螺旋纳米器件。基于这种材料的已知特性，他们预期这种扭曲几何形状会产生一种特殊的二极管效应，称为非互易电输运，这种效应由纳米尺度的手性形状驱动。实验证实了这一预测。电流在一个方向上流动更容易，并且这种效应可以通过改变磁化方向或切换螺旋的手性来逆转。研究人员还观察到了反向相互作用，即强电脉冲可以翻转该结构的磁化方向。二极管是现代电子产品中的关键元件，用于交直流转换、信号处理和LED器件中。
形状如何控制电子运动
通过比较不同尺寸的螺旋体并测量它们在不同温度下的行为，研究人员将这种二极管效应归因于电子沿着器件弯曲的手性壁发生的不均匀散射。这些发现表明，元件的物理形状可以直接影响电流通过它的方式。结果提示，几何形状本身可以作为一种设计工具，为未来的存储、逻辑和传感技术制造出低功耗、形状工程化的元件。
该研究的第一作者Max Birch表示："通过将几何形状视为与材料固有特性同等地位的对称性破缺来源，我们可以在器件层面设计电学非互易性。我们新开发的聚焦离子束纳米雕刻方法，为研究如何利用三维和弯曲的器件几何形状实现新的电子功能开辟了广阔的天地。"
该研究小组的负责人Yoshinori Tokura补充道："更广泛地说，这种方法使得器件设计能够将拓扑或强关联电子态与弹道或流体动力学输运机制下的工程化曲率相结合。材料物理学与纳米制造的融合，催生了具有潜在应用价值的功能性器件结构，可能对存储、逻辑和传感技术产生影响。"