Le microscope laser à ultraviolet profond révèle les comportements de transport à l’échelle nanométrique de Diamond

Les semi-conducteurs ultrairs en bande-bandgap – comme le diamant – sont prometteurs pour l’électronique de nouvelle génération en raison d’un plus grand écart d’énergie entre les bandes de valence et de conduction, ce qui leur permet de gérer des tensions plus élevées, de fonctionner à des fréquences plus élevées et de fournir une plus grande efficacité par rapport aux matériaux traditionnels comme silicium.

Cependant, leurs propriétés uniques rendent difficile de sonder et de comprendre comment la charge et la chaleur se déplacent sur des échelles nanométriques à micron. La lumière visible a une capacité très limitée à sonder les propriétés à l’échelle nanométrique, et en outre, il n’est pas absorbé par le diamant, il ne peut donc pas être utilisé pour lancer des courants ou un chauffage rapide.

Maintenant, des chercheurs de Jila, dirigés par Jila Fellows et les professeurs de physique de l’Université du Colorado, Margaret Murnane et Henry Kapteyn, ainsi que les étudiants diplômés Emma Nelson, Theodore Culman, Brendan McBennett et l’ancienne Jila Postdoctoral Researchers Albert Bearo et Joshua Knobloch, ont développé un roman microscope qui rend l’examen de ces matériaux possible à une échelle sans précédent.

Le travail de l’équipe, publié dans Revue physique appliquée, Présentation d’un laser à ultraviolet profond (DUV) en table qui peut exciter et sonder les comportements de transport à l’échelle nanométrique dans des matériaux tels que le diamant.

Ce microscope utilise une lumière laser DUV à haute énergie pour créer un motif d’interférence à l’échelle nanométrique sur la surface d’un matériau, le chauffant dans un modèle périodique contrôlé.

Observer comment ce modèle s’estompe avec le temps fournit des informations sur les propriétés électroniques, thermiques et mécaniques aux résolutions spatiales aussi fines que 287 nanomètres, bien en dessous de la longueur d’onde de la lumière visible.

Murnane déclare que cette nouvelle capacité de sonde est importante pour l’électronique de puissance future, la communication à haute fréquence et les dispositifs de calcul basés sur du diamant ou des nitrures plutôt que du silicium. Ce n’est qu’en comprenant que le comportement d’un matériau peut que les scientifiques relèvent le défi de courtes durées de vie observées dans de nombreux nanodisices incorporant des matériaux de bandes ultrairs.

Un défi d’un partenaire de l’industrie

Pour Nelson et les autres chercheurs de Jila, ce projet a commencé par un défi inattendu de la part des scientifiques des matériaux de l’un de leurs collaborateurs de l’industrie: 3M.

« 3M nous a approchés pour étudier un échantillon de matériau ultrairs qui n’était pas compatible avec nos microscopes existants », explique Nelson. L’équipe a ensuite collaboré avec les scientifiques de 3M Matthew Frey et Matthew Atkinson pour construire un microscope qui pourrait image le transport dans ce matériel.

Les méthodes d’imagerie traditionnelles reposent sur la lumière visible pour voir la composition microscopique et les comportements de transport dans les semi-conducteurs et autres matériaux, ce qui est efficace pour étudier les matériaux avec des interdictions plus petites.

Cependant, des matériaux comme le diamant, souvent utilisés dans les composants électroniques, ont un écart d’énergie beaucoup plus important entre leurs bandes de valence et de conduction – dépassant généralement 4 électron volts (EV) – les rendant transparentes à la lumière visible et infrarouge à faible énergie. Les photons à plus haute énergie dans la plage ultraviolette (UV) ou au-delà sont nécessaires pour interagir avec et exciter les électrons dans ces matériaux.

Les configurations de la lumière visible ont également du mal avec la résolution spatiale, car leurs longueurs d’onde plus longues limitent la capacité de sonder les dimensions à l’échelle nanométrique pertinentes pour les appareils modernes.

Ces limitations ont inspiré l’équipe à sortir des sentiers battus pour leur configuration d’imagerie.

« Nous avons réfléchi à une nouvelle expérience pour étendre ce que notre laboratoire pourrait étudier », explique Nelson.

Le résultat a été un effort pluriannuel pour développer un microscope compact qui utilise la lumière DUV pour générer des motifs de chaleur à l’échelle nanométrique sur la surface d’un matériau sans modifier le matériau lui-même.

Plongée dans le régime ultraviolet profond

Pour générer le voyant DUV, l’équipe a commencé avec une impulsion émettrice de laser à une longueur d’onde de 800 nanomètres. Ensuite, en passant la lumière laser à travers des cristaux non linéaires et en manipulant son énergie, l’équipe l’a convertie étape par étape en longueurs d’onde de plus en plus courtes, produisant finalement une puissante source de lumière à ultraviolet profonde à environ 200 nanomètres de longueur d’onde.

Chaque étape nécessitait un alignement précis des impulsions laser dans l’espace et le temps dans les cristaux pour atteindre efficacement la longueur d’onde souhaitée.

« Il a fallu quelques années pour faire fonctionner l’expérience pendant la pandémie », explique Nelson, décrivant le processus d’essai et d’erreur d’alignement de la lumière à travers trois cristaux successifs. « Mais une fois que nous avons eu la configuration, nous avons pu créer des modèles à une échelle jamais réalisés sur une table. »

Pour produire le schéma périodique, appelé réseau transitoire, les chercheurs ont divisé la lumière DUV en deux faisceaux identiques en utilisant un réseau de diffraction.

Ces faisceaux ont été dirigés sur la surface du matériau à des angles légèrement différents, où ils se chevauchaient et se sont interférés les uns avec les autres, formant un schéma sinusoïdal précis d’alterner à haute et à faible énergie. Ce modèle d’interférence a agi comme un «réseau» à l’échelle nanométrique, chauffant temporairement le matériau de manière contrôlée et générant des variations d’énergie localisées.

Ce processus a permis à l’équipe d’étudier comment la chaleur, les électrons ou les ondes mécaniques – détendant sur le matériau – se sont répandues et interagis à travers le réseau à l’échelle nanométrique. La périodicité du réseau, qui définissait la distance entre ces pics à haute énergie, était étroitement liée à la longueur d’onde de la source de lumière, permettant aux chercheurs d’obtenir des périodes plus courtes en utilisant une lumière plus élevée (et une longueur d’onde plus courte).

La périodicité pourrait être réglée en ajustant les angles des poutres, permettant des études détaillées des phénomènes de transport à des échelles microscopiques. Par exemple, dans cette expérience, l’équipe a atteint des modèles de réseau aussi délicats que 287 nanomètres, un record pour les configurations de table laser.

Tester le nouveau microscope DUV

Une fois que le système de réseau transitoire DUV était opérationnel, l’équipe s’est concentrée sur la validation de sa précision et l’exploration de ses capacités. Leur premier test a impliqué des films en or mince, qui servaient de matériau de référence en raison de leurs propriétés bien comprises.

Les chercheurs ont utilisé leur système pour générer des modèles de chaleur à l’échelle nanométrique, lançant des ondes acoustiques à la surface du film. En analysant la fréquence et le comportement de ces ondes, ils ont extrait les propriétés des matériaux telles que la densité et l’élasticité.

Pour confirmer leurs résultats, Nelson a développé des modèles informatiques simulant comment le film d’or se comporterait dans des conditions similaires. Les données expérimentales correspondaient étroitement à ses prévisions, fournissant une forte validation de la précision du système.

« Voir l’expérience fonctionner et s’aligner sur les modèles que nous avons créés était un soulagement et une étape excitante », explique Nelson.

Ensuite, l’équipe a utilisé son nouveau microscope DUV pour regarder Diamond, un matériau prisé pour ses propriétés électroniques et thermiques exceptionnelles. Les techniques antérieures pour étudier le diamant nécessitaient souvent des altérations physiques, telles que l’ajout de nanostructures ou de revêtements, ce qui a changé par inadvertance ses propriétés. Le système DUV a éliminé ce besoin, permettant à l’équipe d’étudier Diamond dans son état vierge.

En utilisant leur nouvelle configuration, les chercheurs ont observé comment les porteurs de charge – électrons et trous – ont été utilisés à travers le diamant après avoir été excité par la lumière DUV. Ce processus a révélé de nouvelles perspectives sur la dynamique de transport à l’échelle nanométrique des diamants, en particulier à des échelles nanométriques.

Au-delà de la validation du système et de l’exploration des propriétés de Diamond, les résultats de l’équipe ont mis en lumière des questions plus larges du transport de chaleur à l’échelle nanométrique. À ces petites échelles, la chaleur ne se comporte pas toujours comme prévu par les modèles physiques traditionnels, qui supposent un flux continu et continu.

Au lieu de cela, le transport à l’échelle nanométrique peut impliquer des effets balistiques et hydrodynamiques, où les porteurs d’énergie comme les phonons peuvent voyager en ligne droite sans diffusion ou peuvent se propager comme de l’eau qui coule à travers les canaux.

Alors que les chercheurs continuent d’affiner ces techniques et d’explorer de nouveaux matériaux, cette progression pourrait jouer un rôle crucial dans le développement de l’électronique de puissance haute performance, des systèmes de communication efficaces et des technologies quantiques. Dans la quête pour repousser les limites des appareils modernes, les diamants peuvent ne pas durer éternellement – mais leur impact sur les nanosciences le fera certainement.