Contactloos nanoscopieconcept toont mogelijkheden voor het onderzoeken van geleidbaarheid van materialen

Een team van natuurkundigen uit Duitsland, de .S. en het VK is erin geslaagd de beweging van elektronen van een atomair dunne laag naar een aangrenzende laag te observeren met een ruimtelijke resolutie op nanoschaal. Het nieuwe contactloze nanoscopieconcept, dat een groot potentieel laat zien voor onderzoek naar geleidende, niet-geleidende en supergeleidende materialen, zal worden geïntroduceerd in het nieuwe deel van het wetenschappelijke tijdschrift. Natuur fotonica.

Nanotechnologie klinkt als sciencefiction, maar is al een integraal onderdeel van moderne elektronica in computers, smartphones en auto’s. De grootte van transistors en diodes heeft de nanoschaal bereikt, wat overeenkomt met slechts een miljoenste van een millimeter. Dit maakt conventionele optische microscopen niet langer voldoende om deze nanostructuren te inspecteren. Om innovatieve toekomstige nanotechnologie te ontwikkelen, hebben wetenschappers de optische microscoop vervangen door veel geavanceerdere concepten, zoals elektronenmicroscopie of scanning tunneling microscopie. Deze technieken gebruiken echter elektronen in plaats van licht, wat de eigenschappen van de nanoschaal kan beïnvloeden. Bovendien zijn deze belangrijke meettechnieken beperkt tot elektrisch geleidende monsters.

Een team van natuurkundigen rond Rupert Huber en Jaroslav Fabian van het Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy (RUN) aan de Universität Regensburg, samen met collega’s Tyler Cocker van Michigan State University, VS, en Jessica Boland van de University of Manchester, VK, hebben een nieuwe techniek die elektronenbeweging op nanoschaal kan oplossen zonder elektrisch contact. Sterker nog, de nieuwe methode bereikt ook een femtoseconde tijdsresolutie van een biljardste van een seconde. Door deze extreme ruimtelijke en temporele resoluties te combineren, kunnen slow-motionfilms van ultrasnelle elektronendynamica op nanoschaal worden opgenomen.

Het concept achter de techniek is vergelijkbaar met technologieën voor contactloos betalen. Deze betaalmethoden zijn gebaseerd op vastgestelde frequenties en protocollen op macroschaal, zoals Near Field Communication (NFC). Hier hebben de wetenschappers dit idee overgebracht naar de nanoschaal door een scherpe metalen punt als nano-antenne te gebruiken, die dicht bij het onderzochte monster wordt gebracht. In tegenstelling tot gevestigde technieken waarbij tips een stroom door het monster sturen, gebruikt het nieuwe concept een zwak wisselend elektrisch veld om het monster contactloos te scannen. De frequentie die in de experimenten wordt gebruikt, wordt opgevoerd tot het terahertz-spectrale bereik, ongeveer 100.000 keer hoger dan die gebruikt in NFC-scanners. Minieme veranderingen in deze zwakke elektrische velden maken nauwkeurige conclusies mogelijk over de lokale elektronenbeweging in het materiaal. Door de metingen te combineren met een realistische kwantumtheorie, blijkt dat het concept zelfs kwantitatieve resultaten mogelijk maakt. Om een ​​hoge temporele resolutie te bereiken, gebruikten de natuurkundigen extreem korte lichtpulsen om haarscherpe momentopnames van de beweging van elektronen over nanometerafstanden vast te leggen.

Het team koos als eerste testmonster een staal van een nieuwe materiaalklasse, overgangsmetaaldichalcogeniden genaamd, die in atomair dunne lagen kunnen worden geproduceerd. Wanneer deze platen onder vrij gekozen hoeken worden gestapeld, ontstaan ​​nieuwe kunstmatige vaste stoffen met nieuwe materiaaleigenschappen, die prominent worden onderzocht in het Collaborative Research Center 1277 in Regensburg. Het onderzochte monster is gemaakt van twee verschillende atomair dunne dichalcogeniden om het middelpunt van een futuristische zonnecel te testen. Door groen licht op de structuur te schijnen, komen ladingsdragers tevoorschijn die in de ene of de andere richting bewegen, afhankelijk van hun polariteit – het basisprincipe van een zonnecel, die licht omzet in elektriciteit. De ultrasnelle ladingsscheiding werd door de wetenschappers in ruimte en tijd met nanometerprecisie waargenomen. Tot hun verbazing werkt de ladingsscheiding zelfs betrouwbaar als de dichalcogenide-lagen als een minitapijt over minuscule onzuiverheden liggen – belangrijke inzichten om deze nieuwe materialen te optimaliseren voor toekomstig gebruik in zonnecellen of computerchips.

“We kunnen niet wachten om nog meer fascinerende ladingsoverdrachtsprocessen vast te leggen in isolerende, geleidende en supergeleidende materialen”, zegt Markus Plankl, eerste auteur van de publicatie.

Postdoctoraal collega en co-auteur Thomas Siday zegt: “Inzichten over het ultrasnelle transport op de relevante lengte- en tijdschalen zullen ons helpen te begrijpen hoe tunneling de functionaliteiten in een breed scala van gecondenseerde materie-systemen vormgeeft.”