Jednou z výzev při miniaturizaci elektroniky je vývoj nástrojů a technik pro stále přesnější analýzu materiálů. Nová technika vyvinutá na Michigan State University umožňuje odhalit defekty v polovodičích na atomární úrovni a s bezkonkurenční přesností. Označení „defekty“ zní negativně, ale obvykle jsou to další atomy do materiálů přidávány záměrně za účelem optimalizace jejich vlastností, především způsobu jak se v materiálu budou pohybovat elektrony.
Nová technika má být jednoduchá na implementaci a autoři výzkumu ji již používají pro analýzu atomárně tenkých materiálů, jako jsou grafenová nanovlákna.
Již existují nástroje, zejména skenovací (řádkovací, rastrovací…) tunelové mikroskopy (STM), které vědcům jednoatomové defekty pomáhají odhalit . STM skenují povrch vzorku pomocí atomárně ostrého hrotu. Ten se nedotýká povrchu vzorku, pouze se k němu přiblíží natolik, aby elektrony mohly přeskakovat (tunelovat) mezi hrotem a vzorkem.
STM zaznamenává, kolik elektronů přeskočí a odkud, a poskytuje tak informace o vzorcích v atomárním měřítku. Samotná data STM však ne vždy stačí k jasnému rozlišení defektů ve vzorku, zejména v arsenidu gallia, důležitém polovodičovém materiálu, který se využívá v radarových systémech, vysoce účinných solárních článcích a telekomunikačních zařízeních. V rámci své nejnovější práci se Tyler Cocker a jeho tým zaměřili na vzorky arsenidu gallia (GaAs), které byly záměrně dopovány atomy křemíku, aby se pohyb elektronů v polovodiči vyladil. Ačkoli teoretici studují tento typ defektu již desítky let, experimentátoři nebyli schopni až dosud jednotlivé atomy přímo detekovat. Nová technika stále využívá STM, ale výzkumníci navíc svítili na hrot mikroskopu laserovými pulzy. Tyto pulzy se skládaly ze světelných vln o terahertzové frekvenci. Teoretici nedávno navrhli, že se jedná o stejnou frekvenci, s jakou by se měly pohybovat sem a tam atomy křemíku ve vzorku arsenidu gallia. Spojením STM a terahertzového světla vědci vytvořili sondu, která má pro defekty bezkonkurenční citlivost. Když se hrot STM přiblížil ke křemíkovému defektu na povrchu arsenidu gallia, objevil se v naměřených datech týmu náhlý intenzivní signál. Jakmile vědci posunuli hrot o atom dál od defektu, signál zmizel.
Atomic-scale terahertz time-domain spectroscopy, Nature Photonics (2024). DOI: 10.1038/s41566-024-01467-2
Zdroj: Michigan State University / Phys.org, přeloženo / zkráceno