Elektronisk aktivitet, der tidligere var usynlig for elektronmikroskoper, afsløret

De chips, der driver hverdagens elektroniske gadgets såsom personlige computere og smartphones, er lavet i halvlederfabrikker. Disse anlæg anvender kraftige transmissionselektronmikroskoper. Mens de kan se fysiske strukturer mindre end en milliardtedel af en meter, disse mikroskoper har ingen mulighed for at se den elektroniske aktivitet, der får enhederne til at fungere.

Det kan snart ændre sig, takket være en ny billedbehandlingsteknik udviklet af forskere fra UCLA og University of Southern California. Dette fremskridt kan gøre det muligt for videnskabsmænd og ingeniører at se og forstå den elektroniske aktivitet inde i fungerende enheder, og i sidste ende forbedre deres funktionalitet.

Studiet, som blev offentliggjort online i Fysisk gennemgang anvendt , blev ledet af Chris Regan, UCLA professor i fysik og astronomi og medlem af California NanoSystems Institute.

Den nye metode viser detaljer, som traditionelle tilgange med elektronmikroskoper ikke fanger, mens den også afslører elektroniske tilstande i en prøve - tidligere umuligt ved brug af sådanne mikroskoper.

"Selvfølgelig vil du hellere se på live-enheder, " sagde Regan. "Vi ønsker at se, hvad der gør en enhed levende i elektronisk forstand, og standardteknikker kan ikke."

En elektronisk enhed kan sammenlignes med den menneskelige hjerne. Hjernen bliver almindeligvis fotograferet via røntgenstråler, som giver et præcist billede af dens fysiske struktur.

"Der sker en masse meget subtil fysik og kemi i din hjerne, og hvis du tog et billede, du ville ikke se noget af det, " sagde Regan. "Billedet savner nogle meget dramatiske ting, der gør din hjerne til et interessant sted."

Teknikken, som han og hans team skabte, er mindre som røntgenbilleder, og mere som de funktionelle MR-eller fMRI-tests, som neuroforskere bruger til at spore blodgennemstrømningen i hjernen.

"Med fMRI, du kan se de dele lyse op, som bliver brugt, " sagde Regan. "Det giver dig lidt indsigt i, hvordan hjernen fungerer. Tilsvarende vores teknik giver dig mulighed for at se ting, der ændrer sig, efterhånden som en elektronisk enhed fungerer."

Elektronmikroskoper bruger stråler af elektroner til at hjælpe videnskabsmænd med at "se" et objekt. I dette studie, forskerne parrede et scanningstransmissionselektronmikroskop, eller STEM, og elektronstråleinduceret strømbilleddannelse, kendt som EBIC-billeddannelse.

EBIC-billeddannelse bruger en forstærker til at måle den elektriske strøm i en prøve udsat for et mikroskops elektronstråle. Denne teknik, første gang demonstreret i 1960'erne, er nyttig til at vise det elektriske felt indbygget i visse enheder som solceller. Men i dette tilfælde, forskerne så på enheder, der manglede indbyggede elektriske felter.

Anskaffelse af både standard scanningsmikroskopbilleder og EBIC-billeder, forskerne undersøgte et simpelt par elektroder. EBIC-billederne producerede hidtil uset opløsning og kontrast. Denne metode viste, hvilken elektrode der modtog strøm, og producerede endda et detaljeret kort over elektrodernes ledningsevne.

"Da vi begyndte at udvikle denne teknik, vi så på prøver, hvor der er en meget subtil fysisk ændring, men en enorm elektronisk ændring, " sagde William Hubbard, en postdoc-stipendiat i Regans laboratorium og førsteforfatter af undersøgelsen. "Vi så en virkelig interessant kontrast, som du ikke kan få på anden måde."

For at forstå mekanismen i arbejdet, holdet brugte to forstærkere til at optage to EBIC-målinger – en anden nyskabelse – og fandt ud af, at EBIC-billeddannelse opfangede svage signaler fra sekundære elektroner. Denne følsomhed gjorde det muligt for dem at visualisere ikke kun, hvor elektroner er, men hvor de ikke er - grundlæggende elementer i strømmen af ​​strøm i en chip.

Rigdommen af ​​dataene overraskede selv forskerne, da de først anvendte teknikken.

"Vi så noget meget uventet, som gjorde os utroligt begejstrede, " sagde Hubbard. "Så jeg vil sige, at det fungerede bedre, end vi havde forventet."

At producere prøveskiver, der er tynde nok til billeddannelse med transmissionselektronmikroskopi, gør moderne chips ubrugelige. Men, som komponenter bliver mindre og tyndere over tid, denne forskning kan åbne op for nye muligheder for at forstå, hvad der sker inde i fremtidens forbrugerenheder.