Nærfeltsscanning mikrobølgemikroskop:Stort på nanoskala

(Phys.org)—NISTs evne til at bestemme sammensætningen og fysikken af ​​materialer og enheder i nanoskala er ved at blive dramatisk forbedret med ankomsten af ​​et nyt nærfeltsscanningsmikrobølgemikroskop (NSMM).

Navnet kan være en mundfuld, men NSMM'er fortjener hver stavelse. Få teknikker kan foretage målinger af ækvivalent opløsning for et så bredt udvalg af prøver, inklusive halvledere, halvledende nanotråd, materialer til fotovoltaiske applikationer, magnetiske materialer, multiferroiske materialer, og endda proteiner og DNA.

Forskere i PMLs elektromagnetiske afdeling, ved hjælp af eksisterende kommercielle og hjemmelavede NSMM'er, har været banebrydende for mange applikationer, især inklusiv bestemmelse af halvlederdopantfordeling (dvs. ladningsbærerkoncentrationer) i 2D og 3D. Den evne kræves af en række nye teknologier, såsom molekylær elektronik, kulstof nanorør, nanotråde, grafen, og spin-baseret elektronik. Det nye instrument forventes at fremskynde disse fremskridt betydeligt.

"I bund og grund, det, vi gør, er at bruge den meget fine rumlige opløsning af scanningssondeinstrumenter, såsom scanning tunneling mikroskoper eller atomic force microscopes (AFM) og kombinere det med bredbåndskompatibiliteten af ​​mikrobølgemålinger, " siger Mitch Wallis fra Radio-Frequency Electronics Group. "Vores motivation er, at vi ønsker at se på ting som magnetisk resonans eller mekanisk resonans på nanoskala ved hjælp af mikrobølger. Hvis du ser på din mobiltelefon eller din computer, de arbejder alle inden for et par gigahertz. Så vi er nødt til at måle de objekter i nanoskala, der udgør disse enheder, for at få en forståelse af, hvordan de fungerer ved disse frekvenser. Ellers, det bliver meget sværere at integrere dem i nyttige kommercielle enheder. "

I store træk, en NSMM-opsætning består af et atomkraftmikroskop kombineret med et kontinuerligt eller pulseret mikrobølgesignal påført AFM-spidsen. Spidsen scanner hen over prøven i en blød kontakt eller i en afstand af nogle få nanometer over overfladen, udsender et mikrobølgesignal, der er spredt af materialet, ændre dens frekvens, amplitude og andre egenskaber. Arten af ​​det ændrede signal, der vender tilbage til spidsen - som også fungerer som modtageantenne - afhænger kritisk af variabler såsom permeabilitet, permittivitet, arkmodstand, Dielektrisk konstant, impedans, eller måden, hvorpå kapacitansen ændres med spændingen, som igen er bestemt af den fysiske sammensætning af det objekt, der undersøges.

"Ved at måle det frekvensafhængige spredte signal, vi har, træde i kræft, endnu en knap at dreje, " siger veteranforsker Pavel Kabos fra Advanced High-Frequency Devices Program. "Og for nylig har vi været i stand til at undersøge lokale egenskaber for prøver i ekstremt små dimensioner, meget tæt på enkelt-molekyle niveau.

Dette er af stor interesse, for eksempel, til mikrochipdesignere og -fabrikanter, der har brug for at kende dopingprofilen omkring en transistor-gate eller -kilde eller dræn i en dynamisk hukommelseschip med tilfældig adgang."

Rumlig information registreret af scanningsspidsen fusioneres med data fra det returnerende mikrobølgesignal ved hvert punkt i et udpeget område (typisk et par mikrometer i kvadrat) for at skabe et sammensat billede. NSMM'er kan indstilles til at producere billeder i dybder fra sub-mikrometer til 100 μm under overfladen. "Så, for eksempel, hvis du har et tyndt metallag oven på prøven og et piezoelektrisk materiale nedenunder, du kan se, hvad der sker med piezomaterialet gennem metalpladen, " siger Kabos.

Det kan virke kontraintuitivt, at bølgelængder i størrelsesordenen centimeter ned til et par millimeter kan give nanometer-opløsning. "Det er noget af et paradoks, " siger Kabos, "indtil du ser på de involverede dimensioner. Den skarpe AFM-spids er kun omkring 100 nanometer bred, og den er placeret kun få nanometer fra overfladen eller er i blød kontakt med prøven. Det er spidshøjden, der styrer opløsningen. Spidsafstanden er så meget mindre end signalbølgelængden, at "nærfelts"-effekter dominerer, tillader opløsning i nanometer og meget nøjagtig, kvantitative målinger."

Forskerne kan ændre både spidsspændingen og mikrobølgefrekvensen for at undersøge forskellige aspekter af prøven. For eksempel, i et papir fra 2012, Atif Imtiaz og PML-kolleger, sammen med forskere ved instrumentproducenten Agilent Technologies, Inc., viste, hvordan ændring af spidsforspændingen afslører den lokale bærertæthed i en halvleder, og dermed dopantprofilen af ​​en region. "Afhængig af tegnet på den anvendte skævhed til spidsen, ladningsbærerne i halvlederen tiltrækkes eller udtømmes fra overfladen, danner et rumladningsområde, " skriver forfatterne.

Fordi bredden af ​​dette område også er en funktion af bæreevnen, det giver et følsomt mål for doteringsmiddelsammensætning. "For ganske nylig, " siger Kabos, "vi har været i stand til at kigge ind i et 3 mikrometer bredt område og se, hvordan dopingen fordeles ved PN-krydset, samt lokalisere krydset præcist. "

Alternativt ændring af mikrobølgefrekvensen afslører andre egenskaber. "Det samme materiale kan se meget anderledes ud ved 5, 7, eller 18 GHz, " siger Kabos. "Så vi kan ikke kun bestemme dopingprofilen lokalt, men se også på ydeevne for en given frekvens i en given region."

Den nye enhed, berammet til en efterårsankomst, vil give mange nye muligheder. De eksisterende instrumenter har en enkelt spids, der er åben til luften. Den nye NSMM har fire tips, tillader samtidige sammenligninger af materialer, og den er indesluttet i et ultrahøjt vakuumkammer for at minimere signalinterferens og prøvekontamination. Den har også et vakuumprøve-forberedelseskammer og temperaturkontrol fra omkring 30 K til stuetemperatur.

Blandt andre anvendelser, det nye instrument vil give forskerne mulighed for i langt større detaljer at undersøge de egenskaber, der påvirker forskellige materialers egnethed, opererer ved mikrobølgefrekvenser, til brug i nanoskala elektronik og bioelektronik, såvel som nye teknologier til spintronic eller phasetronic applikationer i enkelt- og flerlagskonfigurationer.

Fremtidig forskning vil behandle flere vigtige områder. Den ene er den mulige udvikling af referencematerialer. Denne indsats vil medføre skabelse af pålidelige, kvantitative modeller til estimering af lokale egenskaber af materialer og enheder. Et andet område involverer sammenligning og analyse af ændringer som følge af forskellige variabler, kombinerer både spændingsafhængig og frekvensafhængig spektroskopi. Der er stor interesse, for eksempel, ved måling af den afledte fase mellem indfaldende og det reflekterede signal fra spids-til-prøve-belastningen, samt den aktuelt målte afledning af kapacitans som funktion af spænding. Det arbejde kunne give betydelige forbedringer til signal-til-støj-forholdet, forbedring af følsomheden over for vandkoncentrationer i biologiske prøver og potentielt muliggør billeddannelse af levende biologiske celler i saltvandsopløsning. Endelig, der er planer om at udtænke to-probe og multi-probe NSMM-konfigurationer, der kan måle komplekse mikrobølge-multiport-spredningsmatrixelementer til bredbåndstransportundersøgelser af systemer såsom højfrekvent spintronik og kulstofbaseret nanoelektronik.