Gli scienziati sviluppano nanodispositivi 3D con fasci ionici focalizzati / Scientists Develop 3D Nanodevices With Focused Ion Beams

Gli scienziati sviluppano nanodispositivi 3D con fasci ionici focalizzati / Scientists Develop 3D Nanodevices With Focused Ion Beams

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Gli scienziati hanno sviluppato un nuovo metodo per creare dispositivi tridimensionali su scala nanometrica direttamente da materiali monocristallini, trasformando potenzialmente il futuro dell'elettronica.

Questa svolta, ottenuta dai ricercatori del RIKEN Center for Emergent Matter Science e dai suoi collaboratori, consente di realizzare strutture complesse con una precisione precedentemente irraggiungibile.

Taglio di precisione con fasci ionici focalizzati.

Il gruppo ha utilizzato uno strumento a fascio ionico focalizzato in grado di rimuovere materiale su scale sub-micrometriche, consentendo la modellazione di geometrie complesse da un cristallo solido. A scopo dimostrativo, hanno scolpito strutture elicoidali da un cristallo magnetico topologico composto da cobalto, stagno e zolfo (Co3Sn2S2). I test hanno rivelato che queste eliche nanometriche agiscono come diodi commutabili, conducendo l'elettricità preferibilmente in una direzione.

Le tecniche di fabbricazione esistenti spesso limitano la scelta dei materiali e compromettono la qualità del dispositivo, ma il nuovo approccio offre la flessibilità necessaria per lavorare con quasi tutti i materiali cristallini senza sacrificare le prestazioni.

Comportamento elettronico guidato dalla forma

La geometria elicoidale ha prodotto un effetto di trasporto elettrico non reciproco, confermando le previsioni secondo cui la forma fisica di un componente può influenzare il moto degli elettroni. Invertendo la magnetizzazione od alterando la chiralità dell'elica, è possibile modificare la direzione del flusso di corrente. Il gruppo ha anche osservato che forti impulsi elettrici possono invertire la magnetizzazione, dimostrando una duplice funzionalità.

I diodi sono fondamentali nell'elettronica moderna, utilizzati in applicazioni come la conversione CA/CC, l'elaborazione del segnale ed i LED. Questi risultati suggeriscono che la geometria ingegneristica su scala nanometrica potrebbe diventare uno strumento di progettazione chiave per dispositivi a basso consumo e dalla forma ingegnerizzata, utilizzati nelle tecnologie di memoria, logica e rilevamento.

Implicazioni per l'elettronica del futuro

Max Birch, primo autore dello studio, ha affermato: "Trattando la geometria come una fonte di rottura della simmetria, al pari delle proprietà intrinseche dei materiali, possiamo progettare la non reciprocità elettrica a livello di dispositivo. Il nostro nuovo metodo di nanoscultura a fascio ionico focalizzato apre un'ampia gamma di studi su come le geometrie tridimensionali e curve dei dispositivi possano essere utilizzate per realizzare nuove funzioni elettroniche".

Yoshinori Tokura, a capo del gruppo di ricerca, ha aggiunto: "Più in generale, questo approccio consente la progettazione di dispositivi che combinano stati elettronici topologici o fortemente correlati con curvature ingegnerizzate in regime di trasporto balistico od idrodinamico. La convergenza tra fisica dei materiali e nanofabbricazione punta ad architetture di dispositivi funzionali con un potenziale impatto sulle tecnologie di memoria, logica e rilevamento".

Lo studio, pubblicato su Nature Nanotechnology, illustra la strada verso componenti elettronici più piccoli, più efficienti e più performanti, sfruttando sia le proprietà dei materiali sia la forma tridimensionale.

ENGLISH

Scientists have developed a new method for creating three-dimensional nanoscale devices directly from single crystal materials, potentially transforming the future of electronics.

The breakthrough, achieved by researchers at the RIKEN Center for Emergent Matter Science and collaborators, allows intricate structures to be fabricated with precision previously unattainable.

Precision Cutting With Focused Ion Beams

The team used a focused ion beam instrument capable of removing material at sub-micron scales, enabling the sculpting of complex geometries from a solid crystal. As a demonstration, they carved helical structures from a topological magnetic crystal composed of cobalt, tin, and sulfur (Co3Sn2S2). Tests revealed that these nanoscale helices act as switchable diodes, conducting electricity preferentially in one direction.

Existing fabrication techniques often restrict material choices and compromise device quality, but the new approach provides flexibility to work with almost any crystalline material without sacrificing performance.

Shape-Driven Electronic Behaviour

The helical geometry produced a nonreciprocal electrical transport effect, confirming predictions that the physical shape of a component can influence electron motion. By reversing the magnetisation or altering the helix’s handedness, the direction of current flow could be changed. The team also observed that strong electrical pulses could flip the magnetisation, demonstrating dual functionality.

Diodes are critical in modern electronics, used in applications such as AC/DC conversion, signal processing, and LEDs. These findings suggest that engineering geometry at the nanoscale could become a key design tool for low-power, shape-engineered devices in memory, logic, and sensing technologies.

Implications for Future Electronics

Max Birch, first author of the study, said: “By treating geometry as a source of symmetry breaking on equal footing with intrinsic material properties, we can engineer electrical nonreciprocity at the device level. Our newly developed focused ion beam nanosculpting method opens up a wide range of studies on how three-dimensional and curved device geometries can be used to realise new electronic functions.”

Yoshinori Tokura, who leads the research group, added: “More broadly, this approach enables device designs that combine topological or strongly correlated electronic states with engineered curvature in the ballistic or hydrodynamic transport regime. The convergence of materials physics and nanofabrication points to functional device architectures with potential impact on memory, logic, and sensing technologies.”

The study, published in Nature Nanotechnology, demonstrates a path toward smaller, more efficient, and higher-performing electronic components by leveraging both material properties and three-dimensional shape.

Da:

https://www.eurekamagazine.co.uk/content/news/scientists-develop-3d-nanodevices-with-focused-ion-beams?