Utilisation de la lumière bleue pour mesurer les électrons dans les matériaux avancés

Sep 10, 2023

Utilisation de la lumière bleue pour mesurer les électrons dans les matériaux avancés : PROVIDENCE, RI[Brown University] — Avec une nouvelle technique de microscopie qui utilise la lumière bleue pour mesurer les électrons dans les semi-conducteurs et autres matériaux à l'échelle nanométrique, une équipe de chercheurs de l'Université Brown ouvre un nouveau champ de possibilités dans l'étude de ces composants critiques, qui peuvent aider à alimenter des appareils comme les téléphones portables et les ordinateurs portables.

Les découvertes sont une première dans l'imagerie à l'échelle nanométrique et fournissent une solution de contournement à un problème de longue date qui a considérablement limité l'étude des phénomènes clés dans une grande variété de matériaux qui pourraient un jour conduire à des semi-conducteurs et à une électronique plus économes en énergie. Les travaux publiés dans Light: Science & Applications.

"Il y a beaucoup d'intérêt ces jours-ci pour l'étude des matériaux avec une résolution à l'échelle nanométrique à l'aide de l'optique", a déclaré Daniel Mittleman, professeur à la Brown's School of Engineering et auteur de l'article décrivant les travaux. « À mesure que la longueur d'onde devient plus courte, cela devient beaucoup plus difficile à mettre en œuvre. En conséquence, personne ne l'avait jamais fait avec de la lumière bleue jusqu'à présent.

En règle générale, lorsque les chercheurs utilisent des optiques telles que des lasers pour étudier des matériaux à l'échelle nanométrique, ils utilisent une lumière qui émet de longues longueurs d'onde telles que la lumière rouge ou l'infrarouge. La méthode que les chercheurs ont examinée dans l'étude est appelée microscopie en champ proche à balayage de type diffusion (s-SNOM). Il s'agit de diffuser la lumière à partir d'une pointe aiguisée qui ne mesure que quelques dizaines de nanomètres de diamètre. La pointe plane juste au-dessus du matériau de l'échantillon à imager. Lorsque cet échantillon est éclairé par une lumière optique, la lumière se disperse et une partie de la lumière diffusée reste avec des informations sur la région nanométrique de l'échantillon directement sous la pointe. Les chercheurs analysent ce rayonnement diffusé pour extraire des informations sur ce petit volume de matière.

La technique a été à la base de nombreuses avancées technologiques, mais elle se heurte à un mur lorsqu'il s'agit d'utiliser une lumière avec une longueur d'onde beaucoup plus courte, comme la lumière bleue. Cela signifie que l'utilisation de la lumière bleue, mieux adaptée à l'étude de certains matériaux pour lesquels la lumière rouge est inefficace, pour acquérir de nouvelles connaissances à partir de semi-conducteurs déjà bien étudiés est hors de portée depuis les années 1990, lorsque la technique a été inventée.

Utilisation de la lumière bleue pour mesurer les électrons dans les matériaux avancés : dans la nouvelle étude, les chercheurs de Brown expliquent comment ils ont contourné ce barrage routier pour effectuer ce que l'on pense être la toute première démonstration expérimentale de s-SNOM utilisant la lumière bleue au lieu du rouge.

Pour l'expérience, les chercheurs ont utilisé la lumière bleue pour obtenir des mesures à partir d'un échantillon de silicium qui ne peuvent pas être obtenues à l'aide de la lumière rouge. Les mesures ont fourni une preuve de concept précieuse sur l'utilisation de longueurs d'onde plus courtes pour étudier les matériaux à l'échelle nanométrique.

"Nous avons pu comparer ces nouvelles mesures à ce que l'on pourrait attendre du silicium, et la correspondance était très bonne", a déclaré Mittleman. "Cela confirme que notre mesure fonctionne et que nous comprenons comment interpréter les résultats. Nous pouvons maintenant commencer à étudier tous ces matériaux d'une manière que nous ne pouvions pas auparavant."

Pour mener l'expérience, les chercheurs ont dû faire preuve de créativité. Essentiellement, ils ont décidé de faciliter les choses en les rendant plus compliquées. Avec la technique typique, par exemple, la lumière bleue est difficile à utiliser car sa longueur d'onde est si courte, ce qui signifie qu'il est plus difficile de se concentrer sur le bon endroit près de la pointe métallique. S'il n'est pas aligné correctement, la mesure ne fonctionnera pas. Avec la lumière rouge, cette condition de mise au point est plus détendue, ce qui facilite l'alignement des optiques afin d'extraire efficacement la lumière diffusée.

Avec ces défis à l'esprit, les chercheurs ont utilisé la lumière bleue non seulement pour éclairer l'échantillon afin que la lumière se diffuse, mais aussi pour produire une rafale de rayonnement térahertz à partir de l'échantillon. Le rayonnement transporte des informations importantes sur les propriétés électriques de l'échantillon. Bien que la solution ajoute une étape supplémentaire et augmente la quantité de données que les scientifiques doivent analyser, elle élimine le besoin d'être aussi précis dans la façon dont ils alignent la pointe sur l'échantillon. La clé ici est que parce que le rayonnement térahertz a une longueur d'onde beaucoup plus longue, il est beaucoup plus facilement aligné.

"Il doit encore être très proche, mais il n'a pas besoin d'être aussi proche", a déclaré Mittleman. "Lorsque vous le frappez avec la lumière, vous pourrez toujours obtenir des informations dans les térahertz."

Les chercheurs sont ravis de voir ce qui va suivre en termes de nouvelles informations et découvertes auxquelles la méthode mène, de telles meilleures informations sur les semi-conducteurs utilisés pour produire la technologie LED bleue. Mittleman développe actuellement des plans pour utiliser la lumière bleue pour analyser les matériaux que les chercheurs n'ont pas pu faire auparavant.

Les travaux ont été dirigés par Angela Pizzuto, titulaire d'un doctorat en physique Brown. étudiant qui obtiendra son diplôme en mai. Pingchuan Ma, un doctorat. étudiant à la Brown's School of Engineering, a également contribué.

Les travaux ont été soutenus par la division des communications électriques et des cybersystèmes de la National Science Foundation, le campus de la sécurité nationale de Kansas City et le ministère de l'Énergie.

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