青色光を使用して先端材料内の電子を測定する

Sep 10, 2023

青色光を使用して先端材料内の電子を測定: ロードアイランド州プロビデンス[ブラウン大学] — ブラウン大学の研究チームは、青色光を使用して半導体やその他のナノスケール材料内の電子を測定する新しい顕微鏡技術により、パワーデバイスに役立つこれらの重要なコンポーネントの研究に新たな可能性の領域を開拓しています。携帯電話やラップトップなど。

この発見は、ナノスケールイメージングにおける初のものであり、将来、よりエネルギー効率の高い半導体やエレクトロニクスにつながる可能性のある、さまざまな材料における重要な現象の研究を大幅に制限してきた長年の問題に対する回避策を提供するものである。 この作品は『Light: Science & Applications』に掲載されました。

「最近、光学を使用してナノスケールの解像度を持つ材料を研究することに大きな関心が集まっています」とブラウン工学部の教授であり、この研究について説明した論文の著者であるダニエル・ミトルマン氏は述べた。 「波長が短くなるにつれて、これを実現するのは非常に困難になります。その結果、これまでブルーライトを使ってこれを実現した人は誰もいませんでした。」

通常、研究者がレーザーなどの光学機器を使用してナノスケール材料を研究する場合、赤色光や赤外線などの長波長を発する光が使用されます。 研究者らが研究で検討した方法は、散乱型走査型近接場顕微鏡法（s-SNOM）と呼ばれる。 これには、直径わずか数十ナノメートルの鋭利な先端からの光の散乱が含まれます。 チップは、画像化するサンプル材料のすぐ上に浮かんでいます。 そのサンプルに光学光が照射されると、光は散乱し、散乱光の一部にはチップ直下のサンプルのナノサイズ領域に関する情報が残ります。 研究者らはその散乱放射線を分析して、この少量の物質に関する情報を抽出します。

この技術は多くの技術進歩の基礎となってきましたが、青色光のようなはるかに短い波長の光を使用する場合には壁にぶつかります。 これは、赤色光が効果のない特定の材料の研究に適している青色光を使用して、既によく研究されている半導体から新たな洞察を得るという手法は、この技術が発明された 1990 年代以来、手の届かないところにあったことを意味します。

青色光を使用した先端材料内の電子の測定： 新しい研究では、ブラウン大学の研究者らは、赤色の代わりに青色光を使用してs-SNOMの史上初の実験的実証と思われることを実行するために、どのようにしてこの障害を回避したかを発表している。

この実験では、研究者らは青色光を使用して、赤色光では得られないシリコンサンプルの測定値を取得しました。 この測定は、ナノスケールで材料を研究するための短波長の使用に関する貴重な概念実証を提供しました。

「これらの新しい測定値をシリコンから期待されるものと比較することができ、その一致は非常に良好でした」とミトルマン氏は語った。 「これにより、測定が機能していることが確認され、結果の解釈方法が理解できました。これで、以前はできなかった方法でこれらすべての材料の研究を開始できるようになります。」

実験を実施するには、研究者は創造力を発揮する必要がありました。 本質的に、彼らは物事をより複雑にすることで物事を簡単にすることに決めました。 たとえば、一般的な技術では、青色光は波長が非常に短いため使用が難しく、金属先端近くの適切なスポットに焦点を合わせるのがより困難になります。 正しく調整されていない場合、測定は機能しません。 赤色光では、この焦点条件がより緩和され、散乱光を効率的に抽出するための光学系の調整が容易になります。

これらの課題を念頭に置いて、研究者らは青色光を使用してサンプルを照射して光を散乱させるだけでなく、サンプルからテラヘルツ放射のバーストを生成しました。 放射線には、サンプルの電気的特性に関する重要な情報が含まれています。 このソリューションでは追加の手順が追加され、科学者が分析しなければならないデータの量が増加しますが、サンプル上でチップをどのように位置合わせするかをそれほど正確に行う必要がなくなります。 ここで重要なのは、テラヘルツ放射の波長がはるかに長いため、位置合わせがはるかに簡単であるということです。

「それでもかなり接近する必要があるが、それほど接近する必要はない」とミトルマン氏は語った。 「光を当てると、テラヘルツの情報を得ることができます。」

研究者らは、青色 LED 技術の製造に使用される半導体についてのより良い洞察など、この方法がもたらす新しい情報や発見という点で次に何が起こるかを楽しみにしています。 ミトルマン氏は現在、研究者がこれまでできなかった材料を分析するために青色光を使用する計画を開発中である。

この研究は、ブラウン物理学の博士号を取得したアンジェラ・ピズートによって率いられました。 5月に卒業予定の学生です。 ピンチュアン・マー博士ブラウン工学部の学生も貢献しました。

この研究は、国立科学財団電気通信およびサイバー システム部門、カンザスシティ国家安全保障キャンパス、およびエネルギー省によって支援されました。

青色光を使用して先端材料内の電子を測定する: 元の記事

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