Использование синего света для измерения электронов в современных материалах

Sep 10, 2023

Использование синего света для измерения электронов в современных материалах: ПРОВИДЕНС, Род-Айленд[Университет Брауна] — Благодаря новому методу микроскопии, использующему синий свет для измерения электронов в полупроводниках и других наноразмерных материалах, команда исследователей Университета Брауна открывает новую сферу возможностей в изучении этих важнейших компонентов, которые могут помочь в питании устройств. как мобильные телефоны и ноутбуки.

Полученные результаты являются первыми в области наномасштабной визуализации и позволяют обойти давнюю проблему, которая значительно ограничивает изучение ключевых явлений в широком спектре материалов, которые однажды могут привести к созданию более энергоэффективных полупроводников и электроники. Работа опубликована в журнале Light: Science & Applications.

«В наши дни существует большой интерес к изучению материалов с наноразмерным разрешением с использованием оптики», — сказал Дэниел Миттлман, профессор Инженерной школы Брауна и автор статьи, описывающей работу. «Поскольку длина волны становится короче, реализовать это становится намного сложнее. В результате до сих пор никто никогда не делал этого с синим светом».

Обычно, когда исследователи используют оптику, такую ​​как лазеры, для изучения наноразмерных материалов, они используют свет, излучающий длинные волны, например красный свет или инфракрасный свет. Метод, который исследователи рассмотрели в исследовании, называется сканирующей ближнепольной микроскопией рассеянного типа (s-SNOM). Он предполагает рассеяние света заостренным кончиком диаметром всего несколько десятков нанометров. Наконечник находится прямо над образцом материала, который необходимо визуализировать. Когда этот образец освещается оптическим светом, свет рассеивается, и часть рассеянного света остается с информацией о наноразмерной области образца непосредственно под иглой. Исследователи анализируют рассеянное излучение, чтобы получить информацию об этом небольшом объеме материала.

Эта техника легла в основу многих технологических достижений, но она упирается в стену, когда дело доходит до использования света с гораздо более короткой длиной волны, например синего света. Это означает, что использование синего света, который лучше подходит для изучения определенных материалов, для которых красный свет неэффективен, для получения новой информации об уже хорошо изученных полупроводниках было недоступно с 1990-х годов, когда был изобретен этот метод.

Использование синего света для измерения электронов в современных материалах. В новом исследовании исследователи из Брауна рассказывают, как им удалось обойти это препятствие и выполнить то, что считается первой экспериментальной демонстрацией s-SNOM с использованием синего света вместо красного.

В ходе эксперимента исследователи использовали синий свет, чтобы получить измерения от образца кремния, которые невозможно получить с помощью красного света. Измерения предоставили ценное подтверждение концепции использования более коротких волн для изучения материалов на наноуровне.

«Мы смогли сравнить эти новые измерения с тем, что можно было бы ожидать от кремния, и совпадение было очень хорошим», — сказал Миттлман. «Это подтверждает, что наши измерения работают и что мы понимаем, как интерпретировать результаты. Теперь мы можем начать изучать все эти материалы так, как не могли раньше».

Чтобы провести эксперимент, исследователям пришлось проявить творческий подход. По сути, они решили упростить задачу, усложнив ее. Например, при использовании типичной техники синий свет трудно использовать, поскольку его длина волны очень коротка, а это означает, что труднее сфокусироваться на нужном месте возле металлического наконечника. Если оно не выровнено правильно, измерение не будет работать. При использовании красного света условия фокусировки более мягкие, что упрощает юстировку оптики для эффективного извлечения рассеянного света.

Помня об этих проблемах, исследователи использовали синий свет не только для освещения образца, чтобы свет рассеивался, но и для создания всплеска терагерцового излучения от образца. Излучение несет важную информацию об электрических свойствах образца. Хотя это решение добавляет дополнительный шаг и увеличивает объем данных, которые ученым приходится анализировать, оно устраняет необходимость точного выравнивания наконечника по образцу. Ключевым моментом здесь является то, что, поскольку терагерцовое излучение имеет гораздо большую длину волны, его гораздо легче выравнивать.