De chips die alledaagse elektronische gadgets zoals personal computers en smartphones aandrijven, worden gemaakt in fabrieken voor de fabricage van halfgeleiders. Deze planten maken gebruik van krachtige transmissie-elektronenmicroscopen. Hoewel ze fysieke structuren kunnen zien die kleiner zijn dan een miljardste van een meter, deze microscopen kunnen de elektronische activiteit die de apparaten laat functioneren niet zien.

Dat kan snel veranderen, dankzij een nieuwe beeldvormingstechniek ontwikkeld door UCLA en onderzoekers van de University of Southern California. Deze vooruitgang kan wetenschappers en ingenieurs in staat stellen om de elektronische activiteit in werkende apparaten te bekijken en te begrijpen, en uiteindelijk hun functionaliteit te verbeteren.

De studie, die online werd gepubliceerd in Fysieke beoordeling toegepast , werd geleid door Chris Regan, UCLA hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde en lid van het California NanoSystems Institute.

De nieuwe methode toont details die traditionele benaderingen met elektronenmicroscopen niet vastleggen, terwijl ook elektronische toestanden in een monster worden onthuld - voorheen onmogelijk met dergelijke microscopen.

"Natuurlijk kijk je liever naar live apparaten, " zei Regan. "We willen zien wat een apparaat in elektronische zin levend maakt, en standaardtechnieken niet."

Een elektronisch apparaat is te vergelijken met het menselijk brein. De hersenen worden gewoonlijk gefotografeerd via röntgenstralen, die een nauwkeurig beeld geven van de fysieke structuur.

"Er gebeurt veel heel subtiele natuurkunde en scheikunde in je hersenen, en als je een foto hebt gemaakt, je zou er niets van zien, "Zei Regan. "De foto mist een aantal zeer dramatische dingen die je hersenen tot een interessante plek maken."

De techniek die hij en zijn team ontwikkelden, lijkt minder op röntgenfoto's, en meer zoals de functionele MRI- of fMRI-tests die neurowetenschappers gebruiken om de bloedstroom in de hersenen te volgen.

"Met de fMRI, je ziet de gebruikte onderdelen oplichten, ' zei Regan. 'Dat geeft je enig inzicht in hoe de hersenen werken. evenzo, onze techniek stelt je in staat om dingen te zien die veranderen als een elektronisch apparaat functioneert."

Elektronenmicroscopen gebruiken elektronenbundels om wetenschappers te helpen een object te "zien". In dit onderzoek, de onderzoekers koppelden een scanning transmissie-elektronenmicroscoop, of STEM, en door elektronenbundels geïnduceerde stroombeeldvorming, bekend als EBIC-beeldvorming.

EBIC-beeldvorming gebruikt een versterker om de elektrische stroom te meten in een monster dat wordt blootgesteld aan de elektronenbundel van een microscoop. Deze techniek, voor het eerst gedemonstreerd in de jaren zestig, is handig om het elektrische veld te laten zien dat is ingebouwd in bepaalde apparaten zoals zonnecellen. Maar in dit geval, de onderzoekers keken naar apparaten die geen ingebouwde elektrische velden hadden.

Het verwerven van zowel de standaard scanning microscoopbeelden als EBIC-beelden, de onderzoekers onderzochten een eenvoudig paar elektroden. De EBIC-beelden produceerden een voorheen ongeziene resolutie en contrast. Deze methode liet zien welke elektrode stroom ontving, en produceerde zelfs een gedetailleerde kaart van de geleidbaarheid van de elektroden.

"Toen we begonnen met het ontwikkelen van deze techniek, we keken naar samples met een zeer subtiele fysieke verandering, maar een enorme elektronische verandering, " zei William Hubbard, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Regan en eerste auteur van de studie. "We zagen een heel interessant contrast dat je niet op een andere manier kunt krijgen."

Om het mechanisme aan het werk te begrijpen, het team gebruikte twee versterkers om twee EBIC-metingen op te nemen - een andere innovatie - en ontdekte dat EBIC-beeldvorming zwakke signalen van secundaire elektronen oppikte. Door deze gevoeligheid konden ze niet alleen visualiseren waar elektronen zijn, maar waar ze niet zijn:fundamentele elementen van de stroomstroom in een chip.

De rijkdom van de gegevens verraste zelfs de onderzoekers toen ze de techniek voor het eerst toepasten.

"We zagen iets heel onverwachts dat ons ongelooflijk opgewonden maakte, "Zei Hubbard. "Dus ik zou zeggen dat het beter werkte dan we hadden verwacht."

Het produceren van monsterschijfjes die dun genoeg zijn voor beeldvorming met transmissie-elektronenmicroscopie maakt hedendaagse chips onbruikbaar. Maar, omdat componenten in de loop van de tijd kleiner en dunner worden, dit onderzoek kan nieuwe mogelijkheden bieden om te begrijpen wat er in de consumentenapparaten van de toekomst gebeurt.