Onderzoekers creëren ultrasnelle, gebruiksvriendelijke microscopie op nanoschaal

Halfgeleiders zijn fundamentele componenten van moderne energie, communicatie en talloze andere technologieën. Onderzoek naar het aanpassen van de onderliggende nanostructuur van halfgeleiders voor het optimaliseren van apparaatprestaties is al tientallen jaren aan de gang.

Nu, in een studie die onlangs is gepubliceerd in Wetenschappelijke rapportenhebben onderzoekers van de Universiteit van Tsukuba en samenwerkingspartner UNISOKU Co., LTD., een gebruiksvriendelijke, tijdsopgeloste scanning tunneling microscopie (STM) ontwikkeld voor het meten van de beweging van elektronen in nanostructuren met een hoge temporele en ruimtelijke resolutie, op een manier die van onschatbare waarde zal zijn voor het optimaliseren van de prestaties van de nanostructuur.

Stroom door halfgeleiders, en dus hun prestaties, hangt af van de dynamiek van ladingsdragers. Deze dynamiek kan extreem snel zijn. Hun dynamiek kan bijvoorbeeld meer dan 10 miljard keer sneller zijn dan het millisecondebereik van een oogwenk. Optical pump-probe (OPP) STM is de huidige state-of-the-art, essentiële methode voor het meten en afbeelden van dergelijke dynamiek in halfgeleiders.

De huidige meet- en beeldvormingssystemen zijn echter te gecompliceerd voor niet-experts. Voor data-acquisitie en interpretatie zijn speciale technieken nodig. Daarom zijn bedieningsgemak en gebruiksgemak wat de onderzoekers in deze studie probeerden aan te pakken.

“OPP STM is een essentiële methode voor het meten van foto-geïnduceerde ladingsdragerdynamiek in nanostructuren, maar vereist technische vooruitgang om aan ultrasnelle observatiebehoeften te voldoen”, legt professor Hidemi Shigekawa, senior auteur, uit. “Onze updates voor OPP STM maakten onderzoek mogelijk naar ultrasnelle draaggolfdynamiek in een gewoon halfgeleidend materiaal.”

De onderzoekers rapporteren bijzonder opmerkelijke technieken die hebben bijgedragen aan het optimaliseren van de prestaties van het ontwikkelde systeem. Ze introduceerden een mechanisme om zowel de laseroscillatie als de vertragingstijd tussen de pomp- en sondelichten elektrisch te regelen, en construeerden een stabiel optisch systeem. Ze gebruikten dit gebruiksvriendelijke systeem om ultrasnelle ladingsdragerdynamiek op galliumarsenide-oppervlakken te meten.

Ze slaagden er ook in hun techniek toe te passen om defecten zoals trapranden en terrassen te correleren met de dynamiek van ladingsdragers. Deze correlatie werd gedeeltelijk mogelijk gemaakt door de hoge stabiliteit van de beeldvorming, wat betekent dat deze gedurende 16 uur op een gestabiliseerde lichtvlekpositie werd uitgevoerd.

“Ons werk zal van onschatbare waarde zijn op gebieden als ultrasnelle optische communicatietechnologieën en fotokatalyse”, zeggen de onderzoekers. “Het relateren van de onderliggende nanostructuur van materialen aan overeenkomstige foto-elektrische eigenschappen door deze gebruiksvriendelijke methode zal fundamentele kennis opleveren die nodig is voor het verbeteren van de functionaliteit van halfgeleiderapparaten.”

Dit werk slaagde erin de bruikbaarheid van OPP STM uit te breiden voor het bestuderen van nanostructuur-functierelaties van halfgeleidende materialen zoals galliumarsenide en laagdimensionale materialen. Het eenvoudige experimentele ontwerp van de onderzoekers zal onderzoekers op verschillende gebieden helpen de foto-elektrische prestaties te verbeteren van bijvoorbeeld geïntegreerde schakelingen en lichtgevende diodes voor ultrasnelle optische communicatietechnologieën. De prestaties van tijdopgeloste OPP STM kunnen verder worden verbeterd door de golflengte en temporele breedte van de gepulseerde laser te optimaliseren, en er worden substantiële ontwikkelingen verwacht.