Forskere, der bruger ultraviolette lasere, foretager en hidtil uset måling af nanomaterialer

Boulder-forskere fra University of Colorado har brugt ultrahurtige ekstreme ultraviolette lasere til at måle egenskaberne af materialer mere end 100 gange tyndere end en menneskelig rød blodcelle.

Holdet, ledet af forskere ved JILA, rapporterede sit nye stykke wafer-tyndhed i denne uge i journalen Materialer til fysisk gennemgang . Gruppens mål, en film på kun 5 nanometer tyk, er det tyndeste materiale, som forskere nogensinde har været i stand til fuldt ud at undersøge, sagde studieforfatter Joshua Knobloch.

"Dette er et rekordstort studie for at se, hvor små vi kunne gå, og hvor præcise vi kunne være, sagde Knobloch, en kandidatstuderende ved JILA, et partnerskab mellem CU Boulder og National Institute of Standards and Technology (NIST).

Han tilføjede, at når tingene bliver små, de normale ingeniørregler gælder ikke altid. Gruppen opdagede, for eksempel, at nogle materialer ser ud til at blive meget blødere jo tyndere de bliver.

Forskerne håber, at deres fund en dag kan hjælpe forskere med bedre at navigere i den ofte uforudsigelige nanoworld, designe mindre og mere effektive computerkredsløb, halvledere og andre teknologier.

"Hvis du laver nanoengineering, du kan ikke bare behandle dit materiale som om det er et normalt stort materiale, "sagde Travis Frazer, hovedforfatter af det nye papir og en tidligere kandidatstuderende ved JILA. "På grund af den enkle kendsgerning, at den er lille, det opfører sig som et andet materiale. "

"Denne overraskende opdagelse - at meget tynde materialer kan være 10 gange mere spinkle end forventet - er endnu et eksempel på, hvordan nye værktøjer kan hjælpe os med at forstå nanverdenen bedre, "sagde Margaret Murnane, en medforfatter til den nye forskning, professor i fysik ved CU Boulder og JILA fellow.

Nano vrikker

Forskningen kommer på et tidspunkt, hvor mange teknologivirksomheder forsøger at gøre netop det:gå småt. Nogle virksomheder eksperimenterer med måder at bygge effektive computerchips, der lag tynde film af materiale oven på hinanden - som et filodej, men inde i din bærbare computer.

Problemet med den tilgang, Frazer sagde, er, at forskere har problemer med at forudsige, hvordan de flossede lag vil opføre sig. De er bare for sarte til at måle på en meningsfuld måde med de sædvanlige værktøjer.

For at hjælpe med det mål, han og hans kolleger indsatte ekstreme ultraviolette lasere, eller stråler, der leverer kortere bølgelængder end traditionelle lasere-bølgelængder, der er godt tilpasset nanoworlden. Forskerne udviklede en opsætning, der giver dem mulighed for at hoppe disse bjælker af lag af materiale, bare et par tråde af DNA tykke, spore de forskellige måder, hvorpå disse film kan vibrere.

"Hvis du kan måle, hvor hurtigt dit materiale vrikker, så kan du finde ud af hvor stiv den er, "Sagde Frazer.

Atomforstyrrelse

Metoden har også afsløret, hvor meget materialernes egenskaber kan ændre sig, når du gør dem meget, meget lille.

I den seneste undersøgelse, for eksempel, forskerne undersøgte den relative styrke af to film fremstillet af siliciumcarbid:en omkring 46 nanometer tyk, og den anden bare 5 nanometer tyk. Holdets ultraviolette laser leverede overraskende resultater. Den tyndere film var cirka 10 gange blødere, eller mindre stiv, end dens tykkere modstykke, noget forskerne ikke havde forventet.

Frazer forklarede, at hvis du laver en film for tynd, du kan skære i atombindinger, der holder et materiale sammen - lidt som at opklare et flosset reb.

"Atomer øverst i filmen har andre atomer under sig, som de kan holde fast i, "Frazer sagde." Men over dem, atomerne har ikke noget, de kan gribe fat i. "

Men ikke alle materialer vil opføre sig på samme måde, han tilføjede. Holdet gentog også det samme eksperiment med et andet materiale, der var næsten identisk med det første med en stor forskel - dette havde meget flere hydrogenatomer tilsat. En sådan "doping" -proces kan naturligt forstyrre atombindinger i et materiale, får det til at miste styrke.

Da gruppen testede det andet, spinkel materiale ved hjælp af deres lasere, de fandt noget nyt:dette materiale var lige så stærkt, da det var 44 nanometer tykt, som det var på små 11 nanometer tykke.

Sagt anderledes, de ekstra brintatomer havde allerede svækket materialet - lidt ekstra krympning kunne ikke længere skade.

Til sidst, teamet siger, at dets nye ultraviolette laserværktøj giver forskere et vindue ind i et rige, der tidligere var uden for videnskabens rækkevidde.

"Nu hvor folk bygger meget, meget små enheder, de spørger, hvordan egenskaber som tykkelse eller form kan ændre, hvordan deres materialer opfører sig, "Sagde Knobloch." Dette giver os en ny måde at få adgang til information om nanoskala -teknologi på. "

Denne forskning blev støttet af STROBE National Science Foundation Science and Technology Center for Real-Time Functional Imaging.