Diep-ultraviolette lasermicroscoop onthult het transportgedrag van diamant op nanoschaal

Halfgeleiders met ultrabrede bandafstand, zoals diamant, zijn veelbelovend voor de volgende generatie elektronica vanwege een grotere energiekloof tussen de valentie- en geleidingsbanden, waardoor ze hogere spanningen kunnen verwerken, op hogere frequenties kunnen werken en een grotere efficiëntie kunnen bieden in vergelijking met traditionele materialen zoals silicium.

Hun unieke eigenschappen maken het echter een uitdaging om te onderzoeken en te begrijpen hoe lading en warmte zich op nanometer-tot-micronschaal verplaatsen. Zichtbaar licht heeft een zeer beperkt vermogen om eigenschappen op nanoschaal te onderzoeken, en bovendien wordt het niet geabsorbeerd door diamant, zodat het niet kan worden gebruikt om stromingen of snelle opwarming te veroorzaken.

Nu hebben onderzoekers van JILA, onder leiding van JILA Fellows en natuurkundeprofessoren Margaret Murnane en Henry Kapteyn van de Universiteit van Colorado, samen met afgestudeerde studenten Emma Nelson, Theodore Culman, Brendan McBennett en voormalige JILA postdoctorale onderzoekers Albert Beardo en Joshua Knobloch, een roman ontwikkeld microscoop die het onderzoeken van deze materialen op ongekende schaal mogelijk maakt.

Het werk van het team, gepubliceerd in Fysieke beoordeling toegepast, introduceert een diep-ultraviolette (DUV) laser op tafelblad die transportgedrag op nanoschaal in materialen zoals diamant kan opwekken en onderzoeken.

Deze microscoop maakt gebruik van hoogenergetisch DUV-laserlicht om een ​​interferentiepatroon op nanoschaal op het oppervlak van een materiaal te creëren, waardoor het in een gecontroleerd, periodiek patroon wordt verwarmd.

Door te observeren hoe dit patroon in de loop van de tijd vervaagt, ontstaat inzicht in de elektronische, thermische en mechanische eigenschappen bij ruimtelijke resoluties zo fijn als 287 nanometer, ruim onder de golflengte van zichtbaar licht.

Murnane stelt dat deze nieuwe sondecapaciteit belangrijk is voor toekomstige vermogenselektronica, hoogfrequente communicatie en computerapparatuur op basis van diamant of nitriden in plaats van silicium. Alleen door het gedrag van een materiaal te begrijpen, kunnen wetenschappers de uitdaging aangaan van de korte levensduur die wordt waargenomen in veel nanoapparaten die materialen met een ultrabrede bandafstand bevatten.

Een uitdaging van een branchepartner

Voor Nelson en de andere JILA-onderzoekers begon dit project met een onverwachte uitdaging van materiaalwetenschappers van een van hun industriële medewerkers: 3M.

“3M benaderde ons om een ​​ultrabreed materiaalmonster te bestuderen dat niet compatibel was met onze bestaande microscopen”, zegt Nelson. Het team werkte vervolgens samen met 3M-wetenschappers Matthew Frey en Matthew Atkinson om een ​​microscoop te bouwen die transport in dit materiaal in beeld kon brengen.

Traditionele beeldvormingsmethoden zijn afhankelijk van zichtbaar licht om de microscopische samenstelling en het transportgedrag in halfgeleiders en andere materialen te zien, wat effectief is voor het bestuderen van materialen met kleinere bandafstanden.

Materialen zoals diamant, die vaak in elektronische componenten worden gebruikt, hebben echter een veel grotere energiekloof tussen hun valentie- en geleidingsbanden (doorgaans groter dan 4 elektronvolt (eV)), waardoor ze transparant zijn voor zichtbaar en infrarood licht met lagere energie. Fotonen met hogere energie in het ultraviolette (UV) bereik of daarbuiten zijn nodig om te interageren met elektronen in deze materialen en deze te exciteren.

Opstellingen met zichtbaar licht hebben ook moeite met ruimtelijke resolutie, omdat hun langere golflengten het vermogen beperken om de dimensies op nanoschaal te onderzoeken die relevant zijn voor moderne apparaten.

Deze beperkingen inspireerden het team om buiten de gebaande paden te denken voor hun beeldopstelling.

“We brainstormden over een nieuw experiment om uit te breiden wat ons laboratorium kon bestuderen”, zegt Nelson.

Het resultaat was een meerjarige inspanning om een ​​compacte microscoop te ontwikkelen die DUV-licht gebruikt om warmtepatronen op nanoschaal op het oppervlak van een materiaal te genereren zonder het materiaal zelf te veranderen.

Duiken in het diepe ultraviolette regime

Om het DUV-licht te genereren, begon het team eerst met een laser die pulsen uitzond met een golflengte van 800 nanometer. Door laserlicht door niet-lineaire kristallen te laten gaan en de energie ervan te manipuleren, zette het team het vervolgens stap voor stap om in steeds kortere golflengten, waardoor uiteindelijk een krachtige diep-ultraviolette lichtbron ontstond met een golflengte van ongeveer 200 nanometer.

Elke stap vereiste een nauwkeurige uitlijning van laserpulsen in ruimte en tijd binnen de kristallen om de gewenste golflengte efficiënt te bereiken.

‘Het duurde een paar jaar voordat het experiment werkte tijdens de pandemie’, zegt Nelson, die het proces van vallen en opstaan ​​beschrijft waarbij licht door drie opeenvolgende kristallen wordt uitgelijnd. “Maar toen we eenmaal de opzet hadden, konden we patronen creëren op een schaal die nog nooit eerder op een tafelblad was bereikt.”

Om het periodieke patroon te produceren, een transiënt rooster genoemd, splitsten de onderzoekers het DUV-licht in twee identieke bundels met behulp van een diffractierooster.

Deze stralen werden onder enigszins verschillende hoeken op het materiaaloppervlak gericht, waar ze elkaar overlapten en interfereerden, waardoor een nauwkeurig sinusoïdaal patroon van afwisselend hoge en lage energie ontstond. Dit interferentiepatroon fungeerde als een ‘rooster’ op nanoschaal, waardoor het materiaal op een gecontroleerde manier tijdelijk werd verwarmd en plaatselijke energievariaties werden gegenereerd.

Dankzij dit proces kon het team bestuderen hoe warmte, elektronen of mechanische golven – afhankelijk van het materiaal – zich verspreidden en op elkaar inwerkten over het rooster op nanoschaal. De periodiciteit van het rooster, dat de afstand tussen deze hoogenergetische pieken definieerde, hield nauw verband met de golflengte van de lichtbron, waardoor onderzoekers kortere perioden konden krijgen door licht met hogere energie (en kortere golflengte) te gebruiken.

De periodiciteit zou kunnen worden afgestemd door de hoeken van de bundels aan te passen, waardoor gedetailleerde studies van transportfenomenen op microscopische schaal mogelijk worden. In dit experiment bereikte het team bijvoorbeeld roosterpatronen zo delicaat als 287 nanometer, een record voor lasertafelopstellingen.

Testen van de nieuwe DUV-microscoop

Toen het DUV-transiënte roostersysteem eenmaal operationeel was, concentreerde het team zich op het valideren van de nauwkeurigheid ervan en het verkennen van de mogelijkheden ervan. Hun eerste test betrof dunne goudfilms, die vanwege hun goed begrepen eigenschappen als referentiemateriaal dienden.

De onderzoekers gebruikten hun systeem om hittepatronen op nanoschaal te genereren, waarbij akoestische golven op het oppervlak van de film werden gelanceerd. Door de frequentie en het gedrag van deze golven te analyseren, haalden ze materiaaleigenschappen zoals dichtheid en elasticiteit eruit.

Om hun resultaten te bevestigen, ontwikkelde Nelson computermodellen die simuleerden hoe de goudfilm zich onder vergelijkbare omstandigheden zou gedragen. De experimentele gegevens kwamen nauw overeen met haar voorspellingen, wat een sterke validatie van de nauwkeurigheid van het systeem opleverde.

“Het was een opluchting en een opwindende mijlpaal om te zien hoe het experiment werkte en overeenkwam met de modellen die we hadden gemaakt”, zegt Nelson.

Vervolgens gebruikte het team hun nieuwe DUV-microscoop om naar diamant te kijken, een materiaal dat wordt gewaardeerd om zijn uitzonderlijke elektronische en thermische eigenschappen. Eerdere technieken voor het bestuderen van diamant vereisten vaak fysieke veranderingen, zoals het toevoegen van nanostructuren of coatings, waardoor onbedoeld de eigenschappen ervan veranderden. Het DUV-systeem elimineerde deze noodzaak, waardoor het team diamant in zijn ongerepte staat kon bestuderen.

Met behulp van hun nieuwe opstelling observeerden de onderzoekers hoe ladingsdragers – elektronen en gaten – over de diamant verspreidden nadat ze waren opgewonden door het DUV-licht. Dit proces bracht nieuwe inzichten aan het licht in de transportdynamiek van diamanten op nanoschaal, vooral op nanometerschaal.

Naast het valideren van het systeem en het onderzoeken van de eigenschappen van diamant, werpen de bevindingen van het team licht op bredere vragen over warmtetransport op nanoschaal. Op zulke kleine schaal gedraagt ​​warmte zich niet altijd zoals voorspeld door traditionele fysieke modellen, die uitgaan van een soepele, continue stroom.

In plaats daarvan kan transport op nanoschaal ballistische en hydrodynamische effecten met zich meebrengen, waarbij energiedragers zoals fononen in een rechte lijn kunnen reizen zonder zich te verspreiden of zich kunnen verspreiden zoals water dat door kanalen stroomt.

Terwijl onderzoekers deze technieken blijven verfijnen en nieuwe materialen onderzoeken, zou deze vooruitgang een cruciale rol kunnen spelen in de ontwikkeling van hoogwaardige vermogenselektronica, efficiënte communicatiesystemen en kwantumtechnologieën. In de zoektocht om de grenzen van moderne apparaten te verleggen, zullen diamanten misschien niet eeuwig meegaan, maar hun impact op de nanowetenschap zal dat zeker wel doen.