Een team van onderzoekers van de Faculteit der Zuivere en Toegepaste Wetenschappen van de Universiteit van Tsukuba filmde de ultrasnelle beweging van elektronen met ruimtelijke resolutie op sub-nanoschaal. Dit werk biedt een krachtig hulpmiddel voor het bestuderen van de werking van halfgeleiderapparaten, wat kan leiden tot efficiëntere elektronische apparaten.

Het vermogen om steeds kleinere en snellere smartphones en computerchips te bouwen, hangt af van het vermogen van halfgeleiderfabrikanten om te begrijpen hoe de elektronen die informatie dragen door defecten worden beïnvloed. Echter, deze bewegingen vinden plaats op de schaal van biljoensten van een seconde, en ze kunnen alleen worden gezien met een microscoop die individuele atomen kan afbeelden. Het lijkt misschien een onmogelijke taak, maar dit is precies wat een team van wetenschappers van de Universiteit van Tsukuba heeft kunnen bereiken.

Het experimentele systeem bestond uit Buckminsterfullereen-koolstofmoleculen - die een griezelige gelijkenis vertonen met gestikte voetballen - gerangschikt in een meerlaagse structuur op een gouden substraat. Eerst, een scanning tunneling microscoop werd opgezet om de films vast te leggen. Om de beweging van elektronen te observeren, een infrarood elektromagnetische pomppuls werd toegepast om elektronen in het monster te injecteren. Vervolgens, na een ingestelde tijdvertraging, een enkele ultrasnelle terahertz-puls werd gebruikt om de locatie van de verkiezingen te onderzoeken. Door de vertraging te verlengen, kon het volgende "frame" van de film worden vastgelegd. Dankzij deze nieuwe combinatie van scanning tunneling microscopie en ultrasnelle pulsen kon het team voor het eerst een ruimtelijke resolutie op sub-nanoschaal en een tijdsresolutie van bijna picoseconden bereiken. "Met onze methode we waren in staat om de effecten van onvolkomenheden duidelijk te zien, zoals een moleculaire vacature of oriëntatiestoornis, " legt eerste auteur professor Shoji Yoshida uit. Het vastleggen van elk frame duurde slechts ongeveer twee minuten, waardoor de resultaten reproduceerbaar zijn. Dit maakt de aanpak ook praktischer als hulpmiddel voor de halfgeleiderindustrie.

"We verwachten dat deze technologie de weg zal wijzen naar de volgende generatie organische elektronica, " zegt senior auteur professor Hidemi Shigekawa. Door de effecten van onvolkomenheden te begrijpen, enkele vacatures, onzuiverheden, of structurele defecten kunnen met opzet in apparaten worden geïntroduceerd om hun functie te regelen.