Optische nanoscopie maakt gebruik van laserstralen om vrije elektronen te raken, licht te verstrooien en inzicht te verschaffen in de elektronendistributie en dynamiek in halfgeleidermaterialen. Krediet: Laser Thermal Lab/UC Berkeley
De kern van elke mobiele telefoon, laptop en autonoom voertuig is een kleine halfgeleider waarvan de eigenschappen en uiteindelijk de prestaties worden bepaald door vrije elektronen. Nu hebben onderzoekers van UC Berkeley een nieuwe manier ontwikkeld om deze elektronen te meten die zou kunnen leiden tot energiezuinigere halfgeleidermaterialen en elektronica.
Zoals gemeld in Nano-brieven, demonstreerden onderzoekers een nieuw type optische nanoscopie dat de elektronendynamiek in halfgeleiders kan meten, een taak die uitdagender is geworden naarmate de vraag naar steeds kleinere en snellere geïntegreerde schakelingen groeit. Nu de componenten van veel alledaagse elektronische apparaten al op nanoschaal zijn, zijn er nieuwe hulpmiddelen nodig om elektronen met een hoge resolutie te meten.
“Onze optische nanoscopie integreert near-field scanning optische microscopie en pump-probe-optica om hoge resolutie mogelijk te maken op zowel ruimtelijke als temporele schaal”, zegt Costas Grigoropoulos, hoogleraar werktuigbouwkunde en hoofdonderzoeker van het onderzoek. “En deze technologie kan worden toegepast op een breed scala aan halfgeleidermaterialen, waaronder silicium, germanium en galliumarsenide, evenals andere exotische materialen, zoals 2D-materialen en ferro-elektrische materialen.”
Met andere woorden, de optische nanoscopie-tool gebruikt een combinatie van optische beeldvorming en lasersondetechnologieën om elektronen of energiedragers te meten op picoseconde- en nanometerschalen. Deze metingen kunnen inzicht bieden in hoe energiedragers worden gedistribueerd en hoe ze zich gedragen in halfgeleidermaterialen, wat van invloed kan zijn op energie-efficiëntie en andere eigenschappen.
Volgens Jingang Li, hoofdauteur en postdoctoraal onderzoeker in het Laser Thermal Lab van Grigoropoulos, is dit onderzoek een belangrijke stap in de richting van het onderzoeken en verder optimaliseren van energiebesparingen voor op halfgeleiders gebaseerde elektronische apparaten, zoals mobiele telefoons, leds, industriële zonnecellen en sensoren.
“Met een hoge dichtheid aan chips in geïntegreerde schakelingen regelen de elektronendistributie en -transport niet alleen de apparaatfunctionaliteit, maar regelen ze ook het warmteopwekkings- en dissipatieproces”, aldus Li. “Onze nanoscopie zal het onderzoek naar thermisch beheer op nanoschaal in deze dicht opeengepakte apparaten mogelijk maken.”
Om de elektronen in een halfgeleider te meten, maakt optische nanoscopie gebruik van ultrasnelle lasers en een punt van een atomaire krachtmicroscoop (AFM) met een topkromming van minder dan 30 nanometer. Onderzoekers schijnen twee laserstralen – een pompstraal en vervolgens een sondestraal – op de AFM-tip. De eerste straal wekt elektronen in het monster op en na een zorgvuldig getimede vertraging raakt de tweede straal de punt. Vervolgens kan de lokale informatie over elektroneneigenschappen worden verkregen door het verstrooide licht van de tweede bundel te analyseren.
Li denkt dat optische nanoscopie toepassingen kan hebben die verder gaan dan het meten van elektronen in halfgeleidermaterialen. “Omdat het een veelzijdig optisch diagnostisch hulpmiddel is, kan het worden gebruikt om vele andere fysieke verschijnselen en functionele apparaten te bestuderen, zoals faseovergangen en gegevensopslag”, zei hij.
Meer informatie:
Jingang Li et al, Ultrasnelle optische nanoscopy van Carrier Dynamics in Silicon Nanowires, Nano-brieven (2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c04790
Tijdschrift informatie:
Nano-brieven
Aangeboden door de Universiteit van Californië – Berkeley
