Atomic force mikroskopsystemer tager et spids fra nanotråde

(Phys.org) —Som svar på anmodninger fra halvlederindustrien, et hold af PML-forskere har påvist, at atomic force microscope (AFM) sondespidser lavet af dets næsten perfekte galliumnitrid nanotråde er overlegne i mange henseender standard silicium- eller platinspidser i målinger af afgørende betydning for fremstilling af mikrochips, nanobioteknologi, og andre bestræbelser.

Ud over, forskerne har opfundet et middel til samtidig at bruge nanotrådsspidserne som lysdioder til at belyse et lille prøveområde med optisk stråling, mens det scanner, tilføjer en helt ny dimension til karakteriseringen af ​​nanoelektronikmaterialer og -enheder.

I sig selv, en AFM leverer topografisk information ved nanometeropløsning, da dens probespids - i området 100 nm bred og ophængt fra en udkragningsarm - scanner hen over en prøveoverflade. Når spidsen bruges på samme tid til kontinuerligt at sende og modtage et mikrobølgesignal, systemet bliver i stand til at afsløre ladningsbærerkoncentrationer eller defekte steder i specifikke områder af materialer og enheder i nanoskala.

Den teknik, kaldet near-field scanning microwave microscopy (NSMM), aldrig før været forsøgt med en nanotrådsonde. Men som holdet viste i et nyligt papir i Applied Physics Letters, nanowire-probespidser klarede sig væsentligt bedre end kommercielle Pt-spidser i både opløsning og holdbarhed.

"Et stort problem for platinsonder, " siger Kris Bertness, Projektleder for metrologi og syntese af 3D nanostrukturer i Quantum Electronics and Photonics Division, "er, at hvis du deformerer dem selv en lille smule, og deres form ændrer sig, din kalibrering er tabt. Fordi de er kapacitivt koblet til prøven, form er alt.

"Derimod vores nanowire-probespidser har en kalibreringslevetid, der er cirka 10 gange længere end nogen kommerciel spids. Vi ser intet synligt slid efter at have udført snesevis af scanninger, hvorimod platin deformeres, miste opløsning og kalibrering, efter fem til ti scanninger." I en serie på 12 scanninger, Pt-spidsens radius ændrede sig fra ~ 50 nm til ~ 150 nm. Nanotråden, imidlertid, beholdt sine oprindelige mål. I øvrigt, GaN-spidserne udviste forbedret følsomhed og reduceret usikkerhed sammenlignet med en kommerciel Pt-spids.

NSMM kan producere meget detaljeret billeddannelse af den lokale tæthed af positive og negative ladningsbærere inde i en nanostruktur - information af stor praktisk betydning for mikroenhedsfabrikanter - og forskere fra PML's Electromagnetics Division har gjort bemærkelsesværdige fremskridt i teknikken. De mener, at brugen af ​​nanotrådsonder, i forbindelse med den nylige ankomst af en helt ny, specialbygget, fire-probe NSMM instrument, vil afsløre nye aspekter af nanostruktursammensætning og ydeevne. I biologiske materialer, det kunne lokalisere vedhæftningen af ​​kemiske midler eller partikler, der er bundet til en celle, og hjælp til studiet af proteindynamik.

At implementere en nanotråd som en sondespids lyder vildledende simpelt. Forskerne får en konventionel AFM cantilever og sonde, fjern den eksisterende spids, og brug en enhed kaldet en fokuseret ionstråle til at bore et hul omkring 5 mikrometer dybt i spidsbeslaget. Derefter, ved hjælp af en lille manipulator, de brækker en enkelt nanotråd af fra en "skov" af dem dyrket af molekylær stråleepitaxi, sæt ledningen ind i hullet, og svejs det på plads. Endelig, tråden er belagt med tynde lag af titanium (20 nm) og aluminium (200 nm) for at lede mikrobølgesignalet hele vejen til enden af ​​spidsen og tilbage.

Forskerne testede deres spids mod en siliciumspids, en platinspids, og en ubelagt GaN nanotråd, som hver blev scannet på tværs af en række mikrokondensatorer af forskellig størrelse. Den belagte nanotråd viste sig omkring dobbelt så følsom som Pt-sonden, og fire gange så følsom som de andre, med overlegen mekanisk ydeevne. "Det kan være ekstremt vigtigt for at karakterisere den næste generation af avancerede elektroniske og optoelektroniske enheder, " siger Bertness. I øjeblikket kan der kun laves nogle få GaN-sonder på én gang, men teamet arbejder på at udvikle ideer til at producere dem i wafer-skala mængder.

På samme tid, forskerne forbereder sig på at teste en ny teknologi, som de fik patent på i juli, 2013:Brug af nanotrådsspidsen som lyskilde ved at dope den, så den fungerer som en LED. Optisk stråling kan tjene til at excitere prøven på en anden måde end mikrobølgesignalet, og forskere bruger allerede lasere til at belyse prøver i nanoskala under AFM-scanninger.

"Problemet med den tilgang, " siger veteran NSMM-forsker Pavel Kabos fra Advanced High-Frequency Devices Program i PML's Electromagnetics Division, "er, at laseren skal skinne ind fra siden. Som et resultat, du får kasteskygger og betydelig usikkerhed om, præcist hvilket område der bliver belyst. Og, selvfølgelig, laseren og dens montering fylder meget.

"Med det nye design, belysningen vil blive påført direkte over sondespidsen på samme sted på prøven, som udsættes for mikrobølgesignalet. Det kunne være særligt fordelagtigt ved at karakterisere solcellematerialer, hvor du kunne anvende et lys og få bærerkoncentrationen på samme tid. Hele enheden kan være meget mindre, og lyskilden i nanoskala giver dig mulighed for at injicere nogle bærere meget lokalt, på en måde, du ikke kan klare med andre metoder." For at forske i den næste generation af solcellematerialer, Bertness siger, "Vi har brugt oversvømmelsesbelysning. Men det, vi ønsker at se, er, hvordan individuelle korn reagerer på lys. LED-teknikken kan gøre det muligt. I biologiske applikationer, vi forventer, at det giver en forbedring af evnen til at undersøge processer såsom proteindynamik."

At nå dette mål vil kræve mere forskning i, hvordan man doper GaN nanotrådene for at øge effektiviteten af ​​lysoutput, og hvordan man koordinerer og integrerer målinger fra topografiske, mikroovn, og optiske modaliteter.

Men Bertness er optimistisk. "Det tog ti års hårdt arbejde at lære at fremstille og karakterisere disse materialer, og vi udviklede en masse vigtige metrologiteknikker undervejs. Men vi var virkelig ikke i stand til at teste nanotråde som sondespidser før for et par måneder siden, da Boulder-laboratoriets Precision Imaging Facility fik en fokuseret ionstråle. Disse første resultater giver os tillid til, at denne teknologi vil påvirke en bred vifte af videnskabelige og teknologiske problemer, hvor det er afgørende at kende materialernes egenskaber på mikrometer- og nanometerskalaen, fra halvlederelektronik til biokemi og medicin."