科學(xué)家研發(fā)出全新非接觸式納米顯微鏡概念
來源:cnBeta.COM
發(fā)布時(shí)間:2021-08-24
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  來自德國、美國和英國的一組物理學(xué)家近日設(shè)法在納米級空間分辨率下,觀察電子從一個(gè)原子薄層到相鄰層的運(yùn)動(dòng)情況。這種全新的非接觸式納米顯微鏡概念在研究導(dǎo)電、非導(dǎo)電和超導(dǎo)材料方面具有巨大潛力,相關(guān)研究發(fā)表在最新的《Nature Photonics》中。

  納米技術(shù)有時(shí)聽起來仍然像科幻小說,但已經(jīng)是我們計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)和汽車中現(xiàn)代電子產(chǎn)品不可或缺的一部分。晶體管和二極管等電子元件的尺寸已達(dá)到納米級,僅相當(dāng)于百萬分之一毫米。這使得傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡不再足以檢查這些納米結(jié)構(gòu)。

  為了開發(fā)創(chuàng)新的未來納米技術(shù),科學(xué)家們用更復(fù)雜的概念取代了光學(xué)顯微鏡,例如電子或掃描隧道顯微鏡。然而,這些技術(shù)使用電子而不是光,這會(huì)影響納米器件的特性。此外,這些重要的測量技術(shù)僅限于導(dǎo)電樣品。

  來自雷根斯堡大學(xué)雷根斯堡超快納米研究中心 (RUN) 的 Rupert Huber 和 Jaroslav Fabian,聯(lián)合來自美國密歇根州立大學(xué)的 Tyler Cocker、英國曼徹斯特大學(xué)的 Jessica Boland 共同介紹了一種新技術(shù),它可以在不需要電接觸的情況下解決納米級的電子運(yùn)動(dòng)。

  更優(yōu)秀的是,新方法還達(dá)到了令人難以置信的時(shí)間分辨率,達(dá)到了千萬億分之一秒(飛秒時(shí)間尺度)。結(jié)合這些極端的空間和時(shí)間分辨率,可以在納米尺度上記錄超快電子動(dòng)力學(xué)的慢動(dòng)作電影。

  該技術(shù)背后的概念類似于非接觸式支付(芯片卡、電話、掃描儀),自大流行開始以來,非接觸式支付已成為我們生活中越來越普遍的組成部分。這些支付方式基于宏觀尺度上的既定頻率和協(xié)議,例如近場通信 (NFC)。在這里,科學(xué)家們通過使用尖銳的金屬尖端作為納米天線將這一想法轉(zhuǎn)化為納米級,該天線靠近被研究的樣品。

  與上述已建立的技術(shù)相比,尖端用于驅(qū)動(dòng)電流通過樣品,新概念使用弱交變電場以非接觸方式掃描樣品。實(shí)驗(yàn)中使用的頻率被提升到太赫茲光譜范圍,比 NFC 掃描儀中使用的頻率高約 100,000 倍。這些弱電場的微小變化允許對材料內(nèi)的局部電子運(yùn)動(dòng)得出準(zhǔn)確的結(jié)論。

  將測量結(jié)果與現(xiàn)實(shí)的量子理論相結(jié)合,表明該概念甚至可以得到定量結(jié)果。為了另外實(shí)現(xiàn)高時(shí)間分辨率,物理學(xué)家使用極短的光脈沖來記錄電子在納米距離上運(yùn)動(dòng)的清晰快照。

  該團(tuán)隊(duì)選擇了一種稱為過渡金屬二硫?qū)倩锏男虏牧项悇e的樣品作為他們的第一個(gè)測試樣品,該材料可以在原子級薄層中生產(chǎn)。當(dāng)這些片材以自由選擇的角度堆疊時(shí),新的人造固體就會(huì)出現(xiàn),具有新的材料特性,雷根斯堡合作研究中心 1277 對此進(jìn)行了突出研究。

  正在研究的樣品由兩種不同的原子級薄二硫?qū)倩镏瞥?,以測試未來太陽能電池的核心部件。當(dāng)綠光照射到結(jié)構(gòu)上時(shí),會(huì)出現(xiàn)電荷載流子,根據(jù)它們的極性向一個(gè)或另一個(gè)方向移動(dòng)——這是將光轉(zhuǎn)化為電能的太陽能電池的基本原理。

  科學(xué)家們在時(shí)間和空間中都以納米精度觀察到了超快電荷分離。令他們驚訝的是,當(dāng)二硫?qū)倩飳酉衩阅愕靥阂粯痈采w在微小雜質(zhì)上時(shí),電荷分離甚至可以可靠地進(jìn)行——這是優(yōu)化這些新材料以供未來用于太陽能電池或計(jì)算機(jī)芯片的重要見解。


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