Uso de luz azul para medir electrones en materiales avanzados

Sep 10, 2023

Uso de luz azul para medir electrones en materiales avanzados: PROVIDENCE, RI[Universidad de Brown] — Con una nueva técnica de microscopía que usa luz azul para medir electrones en semiconductores y otros materiales a nanoescala, un equipo de investigadores de la Universidad de Brown está abriendo un nuevo campo de posibilidades en el estudio de estos componentes críticos, que pueden ayudar a alimentar dispositivos como teléfonos móviles y portátiles.

Los hallazgos son los primeros en imágenes a nanoescala y proporcionan una solución a un problema de larga data que ha limitado en gran medida el estudio de fenómenos clave en una amplia variedad de materiales que algún día podrían conducir a semiconductores y productos electrónicos más eficientes energéticamente. El trabajo publicado en Light: Science & Applications.

"Hay mucho interés en estos días en el estudio de materiales con resolución a nanoescala utilizando la óptica", dijo Daniel Mittleman, profesor de la Escuela de Ingeniería de Brown y autor del artículo que describe el trabajo. "A medida que la longitud de onda se acorta, esto se vuelve mucho más difícil de implementar. Como resultado, nadie lo había hecho con luz azul hasta ahora".

Por lo general, cuando los investigadores usan ópticas como los láseres para estudiar materiales a nanoescala, usan luz que emite longitudes de onda largas, como la luz roja o la infrarroja. El método que los investigadores observaron en el estudio se llama microscopía de campo cercano de barrido de tipo dispersión (s-SNOM). Implica dispersar la luz desde una punta afilada que tiene solo unas pocas decenas de nanómetros de ancho. La punta se cierne justo encima del material de muestra del que se va a obtener la imagen. Cuando esa muestra se ilumina con luz óptica, la luz se dispersa y una parte de la luz dispersa queda con información sobre la región de tamaño nanométrico de la muestra directamente debajo de la punta. Los investigadores analizan esa radiación dispersa para extraer información sobre este pequeño volumen de material.

La técnica ha sido la base de muchos avances tecnológicos, pero se topa con un muro cuando se trata de usar luz con una longitud de onda mucho más corta, como la luz azul. Esto significa que el uso de luz azul, que es más adecuada para estudiar ciertos materiales para los que la luz roja es ineficaz, para obtener nuevos conocimientos de semiconductores ya bien estudiados ha estado fuera del alcance desde la década de 1990, cuando se inventó la técnica.

Uso de luz azul para medir electrones en materiales avanzados: en el nuevo estudio, los investigadores de Brown presentan cómo superaron este obstáculo para realizar lo que se cree que es la primera demostración experimental de s-SNOM usando luz azul en lugar de roja.

Para el experimento, los investigadores utilizaron la luz azul para obtener medidas de una muestra de silicio que no se puede obtener con luz roja. Las mediciones proporcionaron una valiosa prueba de concepto sobre el uso de longitudes de onda más cortas para estudiar materiales en la nanoescala.

"Pudimos comparar estas nuevas medidas con lo que cabría esperar del silicio, y la coincidencia fue muy buena", dijo Mittleman. "Confirma que nuestra medición funciona y que entendemos cómo interpretar los resultados. Ahora podemos comenzar a estudiar todos estos materiales de una manera que antes no podíamos".

Para llevar a cabo el experimento, los investigadores tuvieron que ser creativos. Básicamente, decidieron facilitar las cosas haciéndolas más complicadas. Con la técnica típica, por ejemplo, la luz azul es difícil de usar porque su longitud de onda es muy corta, lo que significa que es más difícil enfocarla en el punto correcto cerca de la punta de metal. Si no se alinea correctamente, la medición no funcionará. Con la luz roja, esta condición de enfoque es más relajada, lo que facilita la alineación de la óptica para extraer la luz dispersa de manera eficiente.

Con esos desafíos en mente, los investigadores usaron la luz azul no solo para iluminar la muestra para que la luz se disperse, sino también para producir un estallido de radiación de terahercios de la muestra. La radiación lleva información importante sobre las propiedades eléctricas de la muestra. Si bien la solución agrega un paso adicional y aumenta la cantidad de datos que los científicos tienen que analizar, elimina la necesidad de ser tan precisos en la forma en que alinean la punta sobre la muestra. La clave aquí es que debido a que la radiación de terahercios tiene una longitud de onda mucho más larga, se alinea mucho más fácilmente.

"Todavía tiene que estar muy cerca, pero no tiene que estar tan cerca", dijo Mittleman. "Cuando lo golpeas con la luz, aún podrás obtener información en terahercios".

Los investigadores están emocionados de ver lo que viene a continuación en términos de nueva información y descubrimientos a los que conduce el método, como mejores conocimientos sobre los semiconductores utilizados para producir tecnología LED azul. Mittleman actualmente está desarrollando planes para usar luz azul para analizar materiales que los investigadores no han podido antes.

El trabajo fue dirigido por Angela Pizzuto, Ph.D. en física de Brown. estudiante que se graduará en mayo. Pingchuan Ma, un doctorado. estudiante de la Escuela de Ingeniería de Brown, también contribuyó.

El trabajo fue apoyado por la División de Comunicaciones Eléctricas y Sistemas Cibernéticos de la Fundación Nacional de Ciencias, el Campus de Seguridad Nacional de Kansas City y el Departamento de Energía.

Uso de luz azul para medir electrones en materiales avanzados: artículo original

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