Nieuwe blauwlichttechniek zou vooruitgang kunnen boeken in het begrijpen van technologieën op nanoschaal

Met een nieuwe microscopietechniek die blauw licht gebruikt om elektronen in halfgeleiders en andere materialen op nanoschaal te meten, opent een team van onderzoekers van Brown University een nieuw rijk aan mogelijkheden in de studie van deze kritieke componenten, die kunnen helpen bij het aandrijven van apparaten zoals mobiele telefoons en laptops .

De bevindingen zijn een primeur op het gebied van beeldvorming op nanoschaal en bieden een oplossing voor een al lang bestaand probleem dat de studie van sleutelverschijnselen in een grote verscheidenheid aan materialen sterk heeft beperkt, wat op een dag zou kunnen leiden tot energiezuinigere halfgeleiders en elektronica. Het werk gepubliceerd in Licht: wetenschap en toepassingen.

“Er is tegenwoordig veel belangstelling voor het bestuderen van materialen met resolutie op nanoschaal met behulp van optica”, zegt Daniel Mittleman, een professor aan de Brown’s School of Engineering en auteur van de paper die het werk beschrijft. “Naarmate de golflengte korter wordt, wordt dit een stuk moeilijker te implementeren. Als gevolg hiervan had tot nu toe niemand het ooit met blauw licht gedaan.”

Wanneer onderzoekers optica zoals lasers gebruiken om materialen op nanoschaal te bestuderen, gebruiken ze meestal licht dat lange golflengten uitzendt, zoals rood licht of infrarood. De methode waar de onderzoekers in het onderzoek naar keken, wordt scattering-type scanning near-field microscopy (s-SNOM) genoemd. Het gaat om het verstrooien van licht van een scherpe punt die slechts enkele tientallen nanometers groot is. De tip zweeft net boven het monstermateriaal dat moet worden afgebeeld.

Wanneer dat monster wordt belicht met optisch licht, wordt het licht verstrooid en blijft een deel van het verstrooide licht achter met informatie over het nanogebied van het monster direct onder de punt. De onderzoekers analyseren die verstrooide straling om informatie over dit kleine volume materiaal te extraheren.

De techniek heeft aan de basis gestaan ​​van veel technologische vooruitgang, maar stuit op een muur als het gaat om het gebruik van licht met een veel kortere golflengte, zoals blauw licht. Dit betekent dat het gebruik van blauw licht, dat beter geschikt is voor het bestuderen van bepaalde materialen waarvoor rood licht niet effectief is, om nieuwe inzichten te verkrijgen uit reeds goed bestudeerde halfgeleiders, onbereikbaar was sinds de jaren negentig, toen de techniek werd uitgevonden.

In de nieuwe studie presenteren de onderzoekers van Brown hoe ze deze wegversperring hebben omzeild om uit te voeren wat wordt beschouwd als de allereerste experimentele demonstratie van s-SNOM met blauw licht in plaats van rood.

Voor het experiment gebruikten de onderzoekers het blauwe licht om metingen te krijgen van een siliciummonster dat niet kan worden verkregen met rood licht. De metingen leverden een waardevolle proof-of-concept op over het gebruik van kortere golflengten om materialen op nanoschaal te bestuderen.

“We waren in staat om deze nieuwe metingen te vergelijken met wat men zou verwachten van silicium, en de match was erg goed”, zei Mittleman. “Het bevestigt dat onze meting werkt en dat we begrijpen hoe we de resultaten moeten interpreteren. Nu kunnen we al deze materialen gaan bestuderen op een manier die voorheen niet mogelijk was.”

Om het experiment uit te voeren, moesten de onderzoekers creatief zijn. In wezen besloten ze om dingen gemakkelijker te maken door ze ingewikkelder te maken. Met de typische techniek is bijvoorbeeld blauw licht moeilijk te gebruiken omdat de golflengte zo kort is, wat betekent dat het moeilijker is om scherp te stellen op de juiste plek nabij de metalen punt. Als het niet precies goed is uitgelijnd, werkt de meting niet. Met het rode licht is deze focusconditie meer ontspannen, waardoor het gemakkelijker wordt om de optiek uit te lijnen om het verstrooide licht efficiënt te extraheren.

Met die uitdagingen in het achterhoofd gebruikten de onderzoekers het blauwe licht niet alleen om het monster te verlichten zodat het licht verstrooid wordt, maar ook om een ​​uitbarsting van terahertzstraling uit het monster te produceren. De straling bevat belangrijke informatie over de elektrische eigenschappen van het monster.

Hoewel de oplossing een extra stap toevoegt en de hoeveelheid gegevens vergroot die de wetenschappers moeten analyseren, is het niet meer nodig om zo precies te zijn in hoe ze de punt over het monster uitlijnen. De sleutel hier is dat, omdat de terahertz-straling een veel langere golflengte heeft, deze veel gemakkelijker kan worden uitgelijnd.

“Het moet nog steeds heel dichtbij zijn, maar het hoeft niet zo dichtbij te zijn,” zei Mittleman. “Als je het met het licht raakt, kun je nog steeds informatie in de terahertz krijgen.”

De onderzoekers zijn verheugd om te zien wat er daarna komt in termen van nieuwe informatie en ontdekkingen waartoe de methode leidt, zoals betere inzichten in halfgeleiders die worden gebruikt om blauwe LED-technologie te produceren. Mittleman ontwikkelt momenteel plannen om blauw licht te gebruiken om materialen te analyseren die onderzoekers voorheen niet konden.