Utilizzo della luce blu per misurare gli elettroni nei materiali avanzati

Sep 10, 2023

Utilizzo della luce blu per misurare gli elettroni nei materiali avanzati: PROVIDENCE, RI[Brown University] — Con una nuova tecnica di microscopia che utilizza la luce blu per misurare gli elettroni nei semiconduttori e altri materiali su scala nanometrica, un team di ricercatori della Brown University sta aprendo un nuovo regno di possibilità nello studio di questi componenti critici, che possono aiutare ad alimentare i dispositivi come telefoni cellulari e laptop.

I risultati sono i primi nel campo dell’imaging su scala nanometrica e forniscono una soluzione alternativa a un problema di lunga data che ha notevolmente limitato lo studio dei fenomeni chiave in un’ampia varietà di materiali che un giorno potrebbero portare a semiconduttori ed elettronica più efficienti dal punto di vista energetico. Il lavoro pubblicato su Light: Science & Applications.

"C'è molto interesse in questi giorni nello studio dei materiali con risoluzione su scala nanometrica utilizzando l'ottica", ha affermato Daniel Mittleman, professore alla Brown's School of Engineering e autore dell'articolo che descrive il lavoro. "Man mano che la lunghezza d'onda si accorcia, diventa molto più difficile da implementare. Di conseguenza, nessuno lo aveva mai fatto fino ad ora con la luce blu."

In genere, quando i ricercatori utilizzano ottiche come i laser per studiare materiali su scala nanometrica, usano luce che emette lunghezze d’onda lunghe come la luce rossa o l’infrarosso. Il metodo esaminato dai ricercatori nello studio è chiamato microscopia a scansione di tipo scattering a campo vicino (s-SNOM). Si tratta di diffondere la luce da una punta affilata larga solo poche decine di nanometri. La punta si posiziona appena sopra il materiale campione da sottoporre a imaging. Quando il campione viene illuminato con luce ottica, la luce si disperde e una parte della luce diffusa viene lasciata con informazioni sulla regione di dimensioni nanometriche del campione direttamente sotto la punta. I ricercatori analizzano la radiazione diffusa per estrarre informazioni su questo piccolo volume di materiale.

La tecnica è stata alla base di molti progressi tecnologici, ma si scontra con un muro quando si tratta di utilizzare la luce con una lunghezza d’onda molto più breve, come la luce blu. Ciò significa che l’uso della luce blu, che è più adatta per studiare alcuni materiali per i quali la luce rossa è inefficace, per ottenere nuove informazioni da semiconduttori già ben studiati è fuori portata dagli anni ’90, quando la tecnica è stata inventata.

Utilizzo della luce blu per misurare gli elettroni nei materiali avanzati: nel nuovo studio, i ricercatori della Brown presentano come hanno aggirato questo ostacolo per eseguire quella che si ritiene essere la prima dimostrazione sperimentale in assoluto di s-SNOM utilizzando la luce blu anziché rossa.

Per l'esperimento, i ricercatori hanno utilizzato la luce blu per ottenere misurazioni da un campione di silicio che non possono essere ottenute utilizzando la luce rossa. Le misurazioni hanno fornito una preziosa prova di concetto sull'uso di lunghezze d'onda più corte per studiare i materiali su scala nanometrica.

"Siamo stati in grado di confrontare queste nuove misurazioni con ciò che ci si potrebbe aspettare di vedere dal silicio, e la corrispondenza è stata molto buona", ha detto Mittleman. "Ciò conferma che la nostra misurazione funziona e che sappiamo come interpretare i risultati. Ora possiamo iniziare a studiare tutti questi materiali in un modo che prima non potevamo fare."

Per condurre l’esperimento, i ricercatori hanno dovuto essere creativi. In sostanza, hanno deciso di rendere le cose più facili rendendole più complicate. Con la tecnica tipica, ad esempio, la luce blu è difficile da usare perché la sua lunghezza d’onda è così corta, il che significa che è più difficile mettere a fuoco il punto giusto vicino alla punta metallica. Se non allineato correttamente, la misurazione non funzionerà. Con la luce rossa, questa condizione di messa a fuoco è più rilassata, rendendo più semplice l'allineamento delle ottiche per estrarre in modo efficiente la luce diffusa.

Tenendo presente queste sfide, i ricercatori hanno utilizzato la luce blu non solo per illuminare il campione in modo che la luce si disperdesse, ma anche per produrre un’esplosione di radiazioni terahertz dal campione. La radiazione trasporta informazioni importanti sulle proprietà elettriche del campione. Sebbene la soluzione aggiunga un ulteriore passaggio e aumenti la quantità di dati che gli scienziati devono analizzare, elimina la necessità di essere altrettanto precisi nel modo in cui allineare la punta sul campione. La chiave qui è che, poiché la radiazione terahertz ha una lunghezza d’onda molto più lunga, è molto più facile da allineare.