Verwendung von blauem Licht zur Messung von Elektronen in fortschrittlichen Materialien

Sep 10, 2023

Verwendung von blauem Licht zur Messung von Elektronen in fortschrittlichen Materialien: PROVIDENCE, RI[Brown University] – Mit einer neuen Mikroskopietechnik, die blaues Licht verwendet, um Elektronen in Halbleitern und anderen nanoskaligen Materialien zu messen, eröffnet ein Team von Forschern der Brown University neue Möglichkeiten bei der Untersuchung dieser kritischen Komponenten, die bei der Stromversorgung von Geräten helfen können wie Mobiltelefone und Laptops.

Die Ergebnisse sind ein Novum in der nanoskaligen Bildgebung und bieten eine Lösung für ein seit langem bestehendes Problem, das die Untersuchung von Schlüsselphänomenen in einer Vielzahl von Materialien, die eines Tages zu energieeffizienteren Halbleitern und Elektronikgeräten führen könnten, stark eingeschränkt hat. Die Arbeit wurde in Light: Science & Applications veröffentlicht.

„Heutzutage besteht großes Interesse daran, Materialien mit nanoskaliger Auflösung mithilfe von Optiken zu untersuchen“, sagte Daniel Mittleman, Professor an der Brown's School of Engineering und Autor der Arbeit, in der die Arbeit beschrieben wird. „Je kürzer die Wellenlänge wird, desto schwieriger wird es, dies umzusetzen. Deshalb hat das bisher noch niemand mit blauem Licht gemacht.“

Wenn Forscher zur Untersuchung nanoskaliger Materialien Optiken wie Laser verwenden, verwenden sie normalerweise Licht, das lange Wellenlängen wie rotes Licht oder Infrarot aussendet. Die Methode, die die Forscher in der Studie untersuchten, heißt Scattering-Type Scanning Near Field Microscopy (s-SNOM). Dabei wird Licht von einer geschärften Spitze gestreut, deren Durchmesser nur wenige zehn Nanometer beträgt. Die Spitze schwebt knapp über dem abzubildenden Probenmaterial. Wenn diese Probe mit optischem Licht beleuchtet wird, wird das Licht gestreut und ein Teil des gestreuten Lichts hinterlässt Informationen über den Nanobereich der Probe direkt unter der Spitze. Die Forscher analysieren diese Streustrahlung, um Informationen über dieses kleine Materialvolumen zu extrahieren.

Die Technik war die Grundlage vieler technologischer Fortschritte, stößt jedoch bei der Verwendung von Licht mit einer viel kürzeren Wellenlänge, wie etwa blauem Licht, an ihre Grenzen. Dies bedeutet, dass die Verwendung von blauem Licht, das sich besser für die Untersuchung bestimmter Materialien eignet, bei denen rotes Licht unwirksam ist, seit der Erfindung der Technik in den 1990er Jahren unerreichbar ist, um neue Erkenntnisse aus bereits gut untersuchten Halbleitern zu gewinnen.

Verwendung von blauem Licht zur Messung von Elektronen in fortschrittlichen Materialien: In der neuen Studie präsentieren die Forscher von Brown, wie sie diese Hürde umgangen haben, um die vermutlich erste experimentelle Demonstration von s-SNOM überhaupt mit blauem Licht anstelle von rotem Licht durchzuführen.

Für das Experiment nutzten die Forscher das blaue Licht, um Messungen an einer Siliziumprobe zu erhalten, die mit rotem Licht nicht möglich sind. Die Messungen lieferten einen wertvollen Proof-of-Concept für die Verwendung kürzerer Wellenlängen zur Untersuchung von Materialien im Nanobereich.

„Wir konnten diese neuen Messungen mit dem vergleichen, was man von Silizium erwarten würde, und die Übereinstimmung war sehr gut“, sagte Mittleman. „Es bestätigt, dass unsere Messung funktioniert und dass wir verstehen, wie die Ergebnisse zu interpretieren sind. Jetzt können wir mit der Untersuchung all dieser Materialien auf eine Weise beginnen, die wir vorher nicht konnten.“

Um das Experiment durchzuführen, mussten die Forscher kreativ werden. Im Wesentlichen beschlossen sie, die Dinge einfacher zu machen, indem sie sie komplizierter machten. Mit der typischen Technik ist zum Beispiel blaues Licht schwer zu verwenden, weil seine Wellenlänge so kurz ist, was bedeutet, dass es schwieriger ist, auf den richtigen Punkt in der Nähe der Metallspitze zu fokussieren. Bei falscher Ausrichtung funktioniert die Messung nicht. Bei rotem Licht ist dieser Fokussierungszustand entspannter, wodurch sich die Optik einfacher ausrichten lässt, um das Streulicht effizient zu extrahieren.

Angesichts dieser Herausforderungen nutzten die Forscher das blaue Licht nicht nur, um die Probe zu beleuchten, sodass das Licht gestreut wird, sondern auch, um einen Ausbruch von Terahertz-Strahlung aus der Probe zu erzeugen. Die Strahlung trägt wichtige Informationen über die elektrischen Eigenschaften der Probe. Während die Lösung einen zusätzlichen Schritt hinzufügt und die Datenmenge erhöht, die die Wissenschaftler analysieren müssen, entfällt dadurch die Notwendigkeit, die Spitze über der Probe präzise auszurichten. Der Schlüssel liegt darin, dass die Terahertz-Strahlung viel einfacher ausgerichtet werden kann, da sie eine viel längere Wellenlänge hat.

„Es muss immer noch sehr nah sein, aber es muss nicht so nah sein“, sagte Mittleman. „Wenn man es mit dem Licht trifft, kann man immer noch Informationen im Terahertz-Bereich erhalten.“

Die Forscher sind gespannt, was als nächstes an neuen Informationen und Entdeckungen kommt, zu denen die Methode führt, wie zum Beispiel bessere Einblicke in Halbleiter, die zur Herstellung der blauen LED-Technologie verwendet werden. Mittleman entwickelt derzeit Pläne, blaues Licht zur Analyse von Materialien zu nutzen, zu denen Forscher bisher nicht in der Lage waren.

Die Arbeit wurde von Angela Pizzuto geleitet, einer Doktorandin der Brown-Physik. Student, der im Mai seinen Abschluss machen wird. Pingchuan Ma, ein Ph.D. Student an der Brown's School of Engineering, leistete ebenfalls einen Beitrag.

Die Arbeit wurde von der National Science Foundation Division of Electrical Communications and Cyber ​​Systems, dem Kansas City National Security Campus und dem Department of Energy unterstützt.

Verwendung von blauem Licht zur Messung von Elektronen in fortschrittlichen Materialien: Originalartikel

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