![Figuur 1. (a) Illustratie van het experiment. (b) Scanning-elektronenmicroscoopfoto van een Ag-tip (boven) en scanning-tunnelingmicroscopiebeeld van het Si (111) -7 × 7-oppervlak. (c) Atoompuntcontact Raman-spectra. Krediet: NINS / IMS Ontdekking van enorme Raman-verstrooiing bij contact met het atoompunt](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2021/discovery-of-huge-rama-1.jpg)
Figuur 1. (a) Illustratie van het experiment. (b) Scanning-elektronenmicroscoopfoto van een Ag-tip (boven) en scanning-tunnelingmicroscopiebeeld van het Si (111) -7 × 7-oppervlak. (c) Atoompuntcontact Raman-spectra. Krediet: NINS / IMS
Nanofabricage van elektronische apparaten heeft een schaal van enkele nanometer bereikt (10-9 m). De snelle vooruitgang van nanowetenschap en nanotechnologie vereist nu optische spectroscopie op atomaire schaal om atomistische structuren te karakteriseren die de eigenschappen en functies van de elektronische apparaten zullen beïnvloeden.
Het internationale team onder leiding van Takashi Kumagai van het Institute for Molecular Science ontdekte een enorme verbetering van Raman-verstrooiing, gemedieerd door de vorming van een atoompuntcontact tussen een plasmonische zilveren punt en een Si (111) -7 × 7 gereconstrueerd oppervlak. Dit werd bereikt door middel van ultramoderne Raman-spectroscopie met lage temperatuur, waarmee trillingsspectroscopie op atomaire schaal kan worden uitgevoerd.
Het ontdekte versterkingsmechanisme van Raman-verstrooiing zal de mogelijkheid openen van ultrasensitieve trillingsspectroscopie op atomaire schaal om oppervlaktestructuren van halfgeleiders te onderzoeken. Bovendien zal de ontwikkelde optische microscopie op atomaire schaal de weg effenen voor het verkennen van licht-materie-interacties op atomaire schaal, wat leidt tot een nieuwe discipline in lichtwetenschap en -technologie.
Superintegratie van elektronische apparaten is op een enkele nanometerschaal terechtgekomen en vereist analytische methoden die structuren en defecten op atomaire schaal in detail kunnen onderzoeken. De vooruitgang van het scannen van optische microscopie in het nabije veld heeft beeldvorming op nanoschaal en chemische analyses op nanoschaal mogelijk gemaakt. Meer recentelijk werd aangetoond dat de ruimtelijke resolutie van deze techniek de atomaire schaal bereikt. Met name tip-verbeterde Raman-spectroscopie heeft steeds meer aandacht getrokken als ultragevoelige chemische microscopie. Om echter een Raman-signaal van halfgeleideroppervlakken te verkrijgen, was het nodig om de gevoeligheid verder te verbeteren.
Het onderzoeksteam paste ultramoderne Raman-spectroscopie bij lage temperatuur, ontwikkeld in samenwerking met het Fritz-Haber Institute, toe om de trillingsspectra van een siliciumoppervlak te verkrijgen. Tip-verbeterde Raman-spectroscopie maakt gebruik van een sterke licht-materie-interactie tussen een materiaal en nanoschaal licht (gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie) dat wordt gegenereerd bij een atomair scherpe metalen punt. Het onderzoeksteam ontdekte dat een atoompuntcontactvorming van een zilveren punt en een gereconstrueerd Si (111) -7 × 7-oppervlak leidt tot een enorme verbetering van Raman-verstrooiing. Figuur 1a illustreert het experiment. Een scherpe zilveren punt vervaardigd door een gefocusseerde ionenbundel (figuur 1b, boven) wordt naar het siliciumoppervlak bewogen (figuur 1b, onder), terwijl de Raman-spectra vanaf de kruising worden bewaakt. Figuur 1c toont de watervalplot van de verkregen Raman-spectra, waarbij de horizontale as de Raman-verschuiving en de kleurenschaal de Raman-intensiteit. Wanneer de punt zich in het tunnelregime bevindt, wordt alleen de optische fononmodus van het bulk silicium waargenomen op 520 cm-1. Wanneer het atomaire punt echter contact maakt tussen de punt en het oppervlak, verschijnt plotseling de sterke Raman-verstrooiing vanuit de fonon-modi aan het oppervlak. Deze modi verdwijnen weer wanneer de punt van het oppervlak wordt verwijderd en het atoompuntcontact wordt verbroken.
![Figuur 2. Atoompuntcontact Raman-spectra verkregen bij een atomaire stap en een vlak oppervlak van het Si (111) -7 × 7 oppervlak. Krediet: NINS / IMS Ontdekking van enorme Raman-verstrooiing bij contact met het atoompunt](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2021/discovery-of-huge-rama-2.jpg)
Figuur 2. Atoompuntcontact Raman-spectra verkregen bij een atomaire stap en een vlak oppervlak van het Si (111) -7 × 7 oppervlak. Krediet: NINS / IMS
Het onderzoeksteam toonde verder aan dat deze atomaire puntcontact Raman-spectroscopie (APCRS) de atomaire schaalstructuren van het siliciumoppervlak kan oplossen. Zoals getoond in figuur 2, is het Raman-spectrum anders wanneer het wordt opgenomen in een atomaire stap van het oppervlak. Bovendien kunnen de karakteristieke trillingsmodi selectief worden waargenomen op de lokaal geoxideerde plaats (figuur 3), wat de chemische gevoeligheid op atomaire schaal aangeeft van Raman-spectroscopie met atomair-punt-contact.
![Figuur 3. Atoompuntcontact Raman-spectra verkregen op een gedeeltelijk geoxideerd gebied boven het Si (111) -7 × 7-oppervlak (aangegeven door de pijl in het STM-beeld). Krediet: NINS / IMS Ontdekking van enorme Raman-verstrooiing bij contact met het atoompunt](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2021/discovery-of-huge-rama-3.jpg)
Figuur 3. Atoompuntcontact Raman-spectra verkregen op een gedeeltelijk geoxideerd gebied boven het Si (111) -7 × 7-oppervlak (aangegeven door de pijl in het STM-beeld). Krediet: NINS / IMS
Eerder werd gedacht dat een plasmonische nanogap nodig is om de ultrahoge gevoeligheid te verkrijgen bij puntverbeterde Raman-spectroscopie, die doorgaans een metalen substraat vereist. Dit legde een ernstige beperking op aan meetbare monsters. De ontdekking van de enorme Raman-verbetering bij de vorming van atoompuntcontacten zal het potentieel van trillingsspectroscopie op atomaire schaal vergroten, wat toepasbaar is op niet-plasmonische monsters en de uitzonderlijke chemische gevoeligheid zal worden verkregen voor veel andere materialen. Bovendien suggereren onze resultaten ook dat structuren op atomaire schaal een onmisbare rol spelen in hybride metaal-halfgeleider nanosystemen om hun opto-elektronische eigenschappen te beïnvloeden.
Shuyi Liu et al, Atomic Point Contact Raman Spectroscopy of a Si (111) -7 × 7 Surface, Nano Letters (2021). DOI: 10.1021 / acs.nanolett.1c00998
Nano Letters
Geleverd door National Institutes of Natural Sciences