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 dabei helfen können, Geräte wie Mobiltelefone und Laptops mit Strom zu versorgen .
Die Ergebnisse sind eine Premiere in der Bildgebung im Nanomaßstab und bieten eine Lösung für ein seit langem bestehendes Problem, das die Untersuchung von Schlüsselphänomenen in einer Vielzahl von Materialien stark eingeschränkt hat, die eines Tages zu energieeffizienteren Halbleitern und Elektronik führen könnten. Die Arbeit veröffentlicht in Licht: Wissenschaft & Anwendungen.
„Heutzutage besteht großes Interesse daran, Materialien mit Auflösung im Nanobereich unter Verwendung von Optiken zu untersuchen“, sagte Daniel Mittleman, Professor an der Brown’s School of Engineering und Autor des Artikels, der die Arbeit beschreibt. „Je kürzer die Wellenlänge wird, desto schwieriger wird die Umsetzung. Deshalb hat das bisher noch niemand mit blauem Licht gemacht.“
Wenn Forscher Optiken wie Laser verwenden, um Materialien im Nanobereich zu untersuchen, verwenden sie normalerweise Licht, das lange Wellenlängen wie rotes Licht oder Infrarot emittiert. Die Methode, die die Forscher in der Studie untersucht haben, heißt Scattering-Type-Raster-Nahfeld-Mikroskopie (s-SNOM). Dabei wird Licht von einer scharfen Spitze gestreut, die nur wenige zehn Nanometer groß ist. 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 nanoskaligen Bereich der Probe direkt unter der Spitze. Die Forscher analysieren diese Streustrahlung, um Informationen über dieses kleine Materialvolumen zu gewinnen.
Die Technik war die Grundlage vieler technologischer Fortschritte, stößt jedoch an eine Wand, wenn es darum geht, Licht mit einer viel kürzeren Wellenlänge wie blauem Licht zu verwenden. Das bedeutet, dass die Verwendung von blauem Licht, das besser geeignet ist, um bestimmte Materialien zu untersuchen, für die rotes Licht unwirksam ist, um neue Erkenntnisse aus bereits gut untersuchten Halbleitern zu gewinnen, seit den 1990er Jahren, als die Technik erfunden wurde, unerreichbar war.
In der neuen Studie stellen die Forscher von Brown vor, wie sie diese Hürde umgangen haben, um die vermutlich erste experimentelle Demonstration von s-SNOM mit blauem statt rotem Licht durchzuführen.
Für das Experiment verwendeten die Forscher das blaue Licht, um Messungen von einer Siliziumprobe zu erhalten, die mit rotem Licht nicht erhalten werden kann. Die Messungen lieferten einen wertvollen Proof-of-Concept über die Verwendung kürzerer Wellenlängen zur Untersuchung von Materialien im Nanobereich.
„Wir konnten diese neuen Messungen mit dem vergleichen, was man von Silizium erwarten könnte, 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 damit beginnen, all diese Materialien auf eine Weise zu untersuchen, wie wir es vorher nicht konnten.“
Um das Experiment durchzuführen, mussten die Forscher kreativ werden. Im Wesentlichen entschieden sie sich, die Dinge einfacher zu machen, indem sie sie komplizierter machten. Mit der typischen Technik ist beispielsweise blaues Licht schwer zu verwenden, da seine Wellenlänge so kurz ist, was bedeutet, dass es schwieriger ist, über den richtigen Punkt in der Nähe der Metallspitze zu fokussieren. Wenn sie nicht genau richtig ausgerichtet sind, funktioniert die Messung nicht. Bei rotem Licht ist diese Fokussierbedingung entspannter, was es einfacher macht, die Optik auszurichten, um das Streulicht effizient zu extrahieren.
Angesichts dieser Herausforderungen verwendeten die Forscher das blaue Licht nicht nur, um die Probe so zu beleuchten, dass das Licht gestreut wird, sondern auch, um einen Ausbruch von Terahertz-Strahlung von 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 die Notwendigkeit, die Spitze so genau über der Probe auszurichten. Der Schlüssel hier ist, dass die Terahertz-Strahlung, weil sie eine viel längere Wellenlänge hat, viel einfacher ausgerichtet werden kann.
„Es muss immer noch sehr eng sein, aber es muss nicht so eng sein“, sagte Mittleman. „Wenn Sie es mit dem Licht treffen, können Sie immer noch Informationen im Terahertz-Bereich erhalten.“
Die Forscher sind gespannt, was als nächstes in Bezug auf neue Informationen und Entdeckungen kommt, zu denen die Methode führt, wie beispielsweise bessere Einblicke in Halbleiter, die zur Herstellung der blauen LED-Technologie verwendet werden. Mittleman entwickelt derzeit Pläne zur Verwendung von blauem Licht zur Analyse von Materialien, zu denen Forscher zuvor nicht in der Lage waren.
Mehr Informationen:
Angela Pizzuto et al, Nichtlineare Terahertz-Nahfeldoptik mit blauem Licht, Licht: Wissenschaft & Anwendungen (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01137-y