Kontaktfrit nanoskopi-koncept viser potentiale til at undersøge materialers ledningsevne

Et hold fysikere fra Tyskland, .S. og Storbritannien formåede at observere elektronernes bevægelse fra et atomisk tyndt lag til et tilstødende lag med rumlig opløsning i nanoskala. Det nye berøringsfri nanoskopi koncept, som viser et stort potentiale for undersøgelser af at udføre, ikke-ledende og superledende materialer, vil blive introduceret i det nye bind af videnskabeligt tidsskrift Naturfotonik .

Nanoteknologi lyder som science fiction, men er allerede en integreret del af moderne elektronik i computere, smartphones og biler. Størrelsen af ​​transistorer og dioder har nået nanoskalaen, svarende til kun en milliontedel af en millimeter. Dette gør, at konventionelle optiske mikroskoper ikke længere er tilstrækkelige til at inspicere disse nanostrukturer. At udvikle innovativ fremtidig nanoteknologi, videnskabsmænd har erstattet det optiske mikroskop med meget mere sofistikerede koncepter, såsom elektron- eller scanningstunnelmikroskopi. Imidlertid, disse teknikker bruger elektroner i stedet for lys, som kan påvirke egenskaberne af nanoskalaenheder. Desuden, disse vigtige måleteknikker er begrænset til elektrisk ledende prøver.

Et team af fysikere omkring Rupert Huber og Jaroslav Fabian ved Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy (RUN) ved Universität Regensburg, sammen med kollegerne Tyler Cocker fra Michigan State University, OS., og Jessica Boland fra University of Manchester, U.K., har introduceret en ny teknik, der kan løse elektronbevægelser på nanoskala uden elektrisk kontakt. Endnu bedre, den nye metode når også femtosekunds tidsopløsning ved en kvadrilliontedel af et sekund. Kombinationen af ​​disse ekstreme rumlige og tidsmæssige opløsninger gør det muligt at optage slowmotion-film med ultrahurtig elektrondynamik på nanoskalaen.

Konceptet bag teknikken ligner kontaktløse betalingsteknologier. Disse betalingsmetoder er baseret på etablerede frekvenser og protokoller på makroskalaen, såsom near field communication (NFC). Her, forskerne overførte denne idé ned til nanoskalaen ved at bruge en skarp metallisk spids som en nano-antenne, som bringes tæt på den undersøgte prøve. I modsætning til etablerede teknikker, hvor spidser driver en strøm gennem prøven, det nye koncept bruger et svagt vekslende elektrisk felt til at scanne prøven kontaktløst. Frekvensen brugt i eksperimenterne er forstærket til terahertz-spektralområdet, cirka 100, 000 gange højere end den, der bruges i NFC-scannere. Små ændringer i disse svage elektriske felter giver mulighed for præcise konklusioner om den lokale elektronbevægelse i materialet. Kombinationen af ​​målingerne med en realistisk kvanteteori viser, at konceptet endda giver mulighed for kvantitative resultater. For at opnå høj tidsmæssig opløsning, fysikerne brugte ekstremt korte lysimpulser til at optage skarpe snapshots af elektronernes bevægelse over nanometerafstande.

Holdet valgte en prøve af en ny materialeklasse kaldet transition metal dichalcogenides, som kan fremstilles i atomisk tynde lag, som deres første prøveeksemplar. Når disse ark stables under frit valgte vinkler, nye kunstige faste stoffer dukker op med nye materialeegenskaber, som er fremtrædende undersøgt i Collaborative Research Center 1277 i Regensburg. Prøven under undersøgelse blev lavet af to forskellige atomisk tynde dicalcogenider for at teste midtpunktet i en futuristisk solcelle. Et grønt lys på strukturen får ladningsbærere til at dukke op, der bevæger sig i den ene eller den anden retning afhængigt af deres polaritet - det grundlæggende princip for en solcelle, som omdanner lys til elektricitet. Den ultrahurtige ladningsadskillelse blev observeret af forskerne i rum og tid med nanometerpræcision. Til deres overraskelse, ladningsadskillelsen fungerer endda pålideligt, når dichalcogenid-lagene ligger over små urenheder som et minitæppe – vigtig indsigt for at optimere disse nye materialer til fremtidig brug i solceller eller computerchips.

"Vi kan ikke vente med at optage yderligere fascinerende ladningsoverførselsprocesser inden for isolering, ledende og superledende materialer, siger Markus Plankl, første forfatter til publikationen.

Postdoc-kollega og medforfatter Thomas Siday siger:"Indsigt i den ultrahurtige transport på den relevante længde og tidsskala vil hjælpe os med at forstå, hvordan tunnelering former funktionaliteterne i en lang række systemer med kondenseret stof."