Forskere kortlægger ikke-synlige materialer i nanoskala med ultralyd

Den stigende miniaturisering af elektriske komponenter i industrien kræver en ny billedbehandlingsteknik på nanometerskala. Delft-forsker Gerard Verbiest og ASML har udviklet en første proof-of-concept-metode, som de nu planlægger at videreudvikle. Metoden anvender samme princip som ultralydsscanning i graviditeter, men på meget, meget mindre skala.

Ultralyd

"Eksisterende ikke-destruktive billeddannelsesteknikker til nanoelektronik, såsom optisk og elektronmikroskopi, er ikke nøjagtige nok eller anvendelige til dybere strukturer, " forklarer Gerard Verbiest fra Delfts 3mE-fakultet. "En velkendt 3-D-teknik på makroskala er ultralyd. Fordelen her er, at det virker for hver prøve. Det gør ultralyd til en fremragende måde at kortlægge 3D-strukturen af ​​en ikke-gennemsigtig prøve på en ikke-destruktiv måde." Og alligevel, ultralydsteknologi på nanoskala eksisterede ikke endnu. Ja, opløsningen af ​​ultralydsbilleddannelse er stærkt bestemt af bølgelængden af ​​den anvendte lyd, og det er typisk omkring en millimeter.

AFM

"For at forbedre dette, ultralyd er allerede blevet integreret i et Atomic Force Microscope (AFM), " Verbiest fortsætter. "AFM er en teknik, der giver dig mulighed for at scanne og kortlægge overflader ekstremt nøjagtigt med en lille nål. Fordelen her er, at det ikke er bølgelængden, men størrelsen af ​​spidsen af ​​AFM, der bestemmer opløsningen. Desværre, ved de hidtil anvendte frekvenser (1-10 MHz), svaret fra AFM er lille og uklart. Vi ser noget, men det er ikke klart præcist, hvad vi ser. Så frekvensen af ​​den anvendte lyd skulle øges yderligere, til GHz-området, og det er det, vi har gjort."

At øge frekvensen er noget, der først er blevet muligt for nylig, Verbiest forklarer. "Vi opnår dette gennem fotoakustik. Ved at bruge den fotoakustiske effekt kan du generere ekstremt korte lydimpulser. Vi har formået at integrere denne teknik i en AFM. Med spidsen af ​​AFM'en, vi kan fokusere signalet. Vores opsætning er klar, og vi har gennemført de første test."

Cellebiologi

Som sagt, den nye metode er særligt interessant for nanoelektronik. "Hvis du vil lave endnu mindre chips med endnu mindre mønstre i fremtiden, så er det dette skridt du skal tage, " siger Verbiest. "F.eks. for at gøre det muligt at placere to lag oven på hinanden med nanometerpræcision."

"Men der er bestemt også potentielle anvendelser uden for elektronik. Du kunne bruge det i cellebiologi til at lave et detaljeret 3D-billede af en enkelt levende celle, for eksempel af måden mitokondrier er foldet i en celle. Og inden for materialevidenskab, du kunne bruge det til forskning i varmetransport i et fantastisk materiale såsom grafen."

Hurtige fremskridt

Verbiest har gjort hurtige fremskridt. "En post-doc forsker har arbejdet på dette projekt siden april sidste år og en ph.d.-studerende siden oktober. Så på omkring otte måneder lykkedes det os at lave de første målinger med vores set-up, og vi vil fortsætte med at udvikle os dette i den kommende periode. Til sidst, ASML, som også ejer den intellektuelle ejendom, vil overtage forskningen og forhåbentlig fremskynde den industrielle anvendelse af den nye metode. Men det, selvfølgelig, afhænger af de resultater, vi opnår."