密歇根州立大学将太赫兹激光(如图所示为红色波状箭头)与扫描隧道显微镜(STM)的尖端结合在一起——深色金字塔形状的尖端与蓝色表面的样品交换红色电子。来源:Eve Ammerman
物理学家已经开发出一种突破性的技术，使用高分辨率显微镜和超快激光来精确识别半导体中的缺陷。
这种新方法在纳米级组件中特别有效，可以前所未有地详细观察原子缺陷周围的电子运动，显着推进了半导体领域电感物理学和石墨烯等材料的新可能性。
先进Semico合分析
将更智能、更强大的电子设备塞进不断缩小的设备，其中一个挑战是开发工具和技术，以越来越精确地分析构成这些设备的材料。
密歇根州立大学的物理学家们在这方面迈出了期待已久的一步，他们将高分辨率显微镜与超快激光相结合。
这项发表在《自然光子学》杂志上的技术使研究人员能够以无与伦比的精度发现半导体中的不匹配原子。半导体物理学将这些原子标记为“缺陷”，这听起来很消极，但它们通常是有意添加到材料中的，对今天和未来设备中的半导体性能至关重要。
“这与纳米级结构的组件特别相关，”泰勒·考克说，他是杰里·考恩实验物理学教授，也是这项新研究的负责人。
密歇根州立大学Jerry Cowen实验物理学教授Tyler Cocker(左)与博士生Stefanie Adams和Mohamed Hassan在超快太赫兹纳米实验室。来源:马特·达文波特/密歇根州立大学自然科学学院
纳米材料的进展
这包括像计算机芯片这样的东西，它通常使用具有纳米级特征的半导体。研究人员正致力于将纳米结构发挥到极致，制造出单原子厚度的工程材料。
“这些纳米材料是半导体的未来，”Cocker说，他也是密歇根州立大学物理和天文学系超快太赫兹纳米实验室的负责人。“当你拥有纳米级电子学时，确保电子可以按照你想要的方式移动是非常重要的。”
缺陷在电子运动中起着重要作用，这就是为什么像Cocker这样的科学家热衷于精确地了解它们的位置和行为。Cocker的同行们兴奋地得知，他的团队的新技术可以让他们轻松获得这些信息。
“我的一个同事说，‘我希望你出去庆祝一下，’”科克说。
Vedran Jelic是这个新报告的第一作者，他是Cocker小组的博士后研究员，现在在加拿大国家研究委员会工作。研究小组还包括博士生Stefanie Adams, Eve Ammerman和Mohamed Hassan，以及本科生Kaedon Cleland-Host。
Cocker补充说，这项技术很容易通过合适的设备实现，他的团队已经将其应用于石墨烯纳米带等原子级薄的材料。
Cocker说:“我们有许多开放的项目，我们正在使用更多材料和更多外来材料的技术。”“我们基本上把它融入到我们做的每件事中，并把它作为一种标准技术来使用。”
博士生穆罕默德·哈桑和斯蒂芬妮·亚当斯检查一个光学台，以调整密歇根州立大学团队新技术中使用的激光。来源:马特·达文波特/密歇根州立大学自然科学学院
创新显微镜技术
已经有一些工具，特别是扫描隧道显微镜(STMs)，可以帮助科学家发现单原子缺陷。
与许多人在高中科学课上认识的显微镜不同，stm不使用透镜和灯泡来放大物体。更确切地说，stm扫描样品的表面使用原子尖的尖端，几乎像唱机上的手写笔。
但是STM尖端不接触样品表面，它只是足够接近，以至于电子可以在尖端和样品之间跳跃或隧穿。
STMs记录有多少电子跳跃，它们从哪里跳跃，以及其他信息，以提供关于样品的原子尺度信息(因此，为什么Cocker的实验室将其称为纳米显微镜而不是显微镜)。
但是，仅依靠STM数据并不总是足以清楚地解决样品中的缺陷，尤其是砷化镓。砷化镓是一种重要的半导体材料，用于雷达系统、高效太阳能电池和现代电信设备。
在他们最新发表的论文中，Cocker和他的团队专注于砷化镓样品，这些样品被故意注入硅缺陷原子，以调整电子在半导体中的移动方式。
缺陷的发现和确认
“对于电子来说，硅原子基本上看起来像一个深坑，”Cocker说。
尽管理论学家研究这种缺陷已经有几十年了，但直到现在，实验学家还无法直接探测到这些单个原子。
Cocker和他的团队的新技术仍然使用STM，但研究人员也在STM的尖端发出激光脉冲。
这些脉冲由太赫兹频率的光波组成，这意味着它们每秒上下摆动一万亿次。最近，理论学家已经证明，这与硅原子缺陷在砷化镓样品中来回摆动的频率相同。
通过STM和太赫兹光的耦合，密歇根州立大学的团队创造了一种对缺陷具有无与伦比灵敏度的探针。
当STM尖端到达砷化镓表面的硅缺陷时，一个突然的、强烈的信号出现在团队的测量数据中。当研究人员将尖端从缺陷移开一个原子时，信号就消失了。
“这是人们已经寻找了40多年的缺陷，我们可以看到它像铃声一样响起，”Cocker说。
理论与实践成果
“起初，很难相信，因为它是如此独特，”他继续说。“我们必须用各种方法来测量它，以确定这是真实的。”
然而，一旦他们确信这个信号是真实的，由于多年来对这个问题的理论研究，解释起来就很容易了。
“当你发现这样的东西时，它真的很有帮助，因为已经有几十年的理论研究彻底地描述了它的特征，”Jelic说，他和Cocker一起也是这篇新论文的通讯作者。
尽管Cocker的实验室处于这一领域的前沿，但目前世界上也有一些团队将stm和太赫兹光结合起来。除了检测缺陷之外，还有许多其他材料可以从这种技术中受益。
现在，他的团队已经与社区分享了他们的方法，Cocker很兴奋地看到其他的发现在等待着他。
参考文献:“原子尺度太赫兹时域光谱学”，作者V. Jelic, S. Adams, M. Hassan, K. clland - host, S. E. Ammerman和T. L. Cocker, 2024年7月4日，《自然光子学》。DOI: 10.1038 / s41566 - 024 - 01467 - 2
该项目得到了海军研究办公室、陆军研究办公室和空军科学研究办公室的支持。
