(Phys.org) - Het vermogen van NIST om de samenstelling en fysica van materialen en apparaten op nanoschaal te bepalen, staat op het punt drastisch te verbeteren met de komst van een nieuwe nabije-veld scanning microgolfmicroscoop (NSMM).

De naam is misschien een mondvol, maar NSMM's verdienen elke lettergreep. Er zijn maar weinig technieken die metingen met een equivalente resolutie kunnen uitvoeren voor zo'n breed scala aan monsters, inclusief halfgeleiders, halfgeleidende nanodraad, materialen voor fotovoltaïsche toepassingen, magnetische materialen, multiferroïsche materialen, en zelfs eiwitten en DNA.

Onderzoekers van de elektromagnetische afdeling van PML, met behulp van bestaande commerciële en zelfgemaakte NSMM's, hebben veel toepassingen ontwikkeld, met name met inbegrip van de bepaling van de dotering van halfgeleiders (d.w.z. ladingsdragerconcentraties) in 2D en 3D. Dat vermogen is vereist door een verscheidenheid aan opkomende technologieën, zoals moleculaire elektronica, koolstof nanobuisjes, nanodraden, grafeen, en op spin gebaseerde elektronica. Het nieuwe instrument zal die vooruitgang naar verwachting aanzienlijk versnellen.

"In principe, wat we doen is de zeer fijne ruimtelijke resolutie van scanningsonde-instrumenten zoals scanning tunneling microscopen of atomic force microscopen (AFM) gebruiken en deze combineren met de breedbandcompatibiliteit van microgolfmetingen, ", zegt Mitch Wallis van de Radio-Frequency Electronics Group. "Onze motivatie is dat we willen kijken naar dingen als magnetische resonantie of mechanische resonantie op nanoschaal met behulp van microgolven. Als u naar uw mobiele telefoon of uw computer kijkt, ze werken allemaal in het bereik van een paar gigahertz. We moeten dus de objecten op nanoschaal meten waaruit deze apparaten bestaan ​​om inzicht te krijgen in hoe ze presteren op die frequenties. Anders, het zal veel moeilijker zijn om ze te integreren in bruikbare commerciële apparaten."

In grote lijnen, een NSMM-opstelling bestaat uit een atomaire krachtmicroscoop gecombineerd met een continu of gepulseerd microgolfsignaal dat op de AFM-tip wordt toegepast. De tip scant over het monster in een zacht contact of op een afstand van enkele nanometers boven het oppervlak, een microgolfsignaal uitzenden dat door het materiaal wordt verstrooid, het veranderen van de frequentie, amplitude en andere eigenschappen. De aard van het gewijzigde signaal dat terugkeert naar de punt – die ook dienst doet als ontvangstantenne – hangt in grote mate af van variabelen zoals permeabiliteit, permittiviteit, blad weerstand, diëlektrische constante, impedantie, of de manier waarop de capaciteit verandert met spanning, die op hun beurt worden bepaald door de fysieke samenstelling van het onderzochte object.

"Door het frequentieafhankelijke verstrooide signaal te meten, wij hebben, in werkelijkheid, nog een knop om aan te draaien, ", zegt veteraan onderzoeker Pavel Kabos van het Advanced High-Frequency Devices Program. "En zeer recent hebben we lokale eigenschappen van monsters in extreem kleine afmetingen kunnen onderzoeken, zeer dicht bij het niveau van één molecuul.

Dit is zeer interessant, bijvoorbeeld, aan microchipontwerpers en fabrikanten die het dopingprofiel rond een transistorpoort of source of drain in een dynamische willekeurig toegankelijke geheugenchip moeten kennen."

Ruimtelijke informatie opgenomen door de scantip wordt samengevoegd met gegevens van het terugkerende microgolfsignaal op elk punt in een aangewezen gebied (meestal enkele micrometers in het vierkant) om een ​​samengesteld beeld te creëren. NSMM's kunnen worden afgestemd om afbeeldingen te produceren op diepten van submicrometer tot 100 m onder het oppervlak. "Dus, bijvoorbeeld, als je een dunne metalen laag bovenop het monster hebt en een piëzo-elektrisch materiaal eronder, je kunt zien wat er met het piëzo-materiaal gebeurt door de metalen plaat, ' zegt Kabos.

Het lijkt misschien contra-intuïtief dat golflengten in de orde van een centimeter tot enkele millimeters een resolutie op nanometerschaal kunnen bieden. "Het is iets van een paradox, "Kabos zegt, "totdat je naar de afmetingen kijkt. De scherpe AFM-tip is slechts ongeveer 100 nanometer breed, en het bevindt zich op slechts enkele nanometers van het oppervlak of is in zacht contact met het monster. Het is de punthoogte die de resolutie bepaalt. De tipafstand is zoveel kleiner dan de signaalgolflengte dat 'near-field'-effecten overheersen, resolutie mogelijk maken in nanometers en zeer nauwkeurig, kwantitatieve metingen."

De onderzoekers kunnen zowel de tipspanning als de microgolffrequentie wijzigen om verschillende aspecten van het monster te onderzoeken. Bijvoorbeeld, in een paper uit 2012, Atif Imtiaz en PML-collega's, samen met onderzoekers van instrumentmaker Agilent Technologies, Inc., liet zien hoe het veranderen van de tip-bias de lokale dragerdichtheid in een halfgeleider onthult, en daarmee het doteringsprofiel van een regio. "Afhankelijk van het teken van de toegepaste bias op de punt, de ladingsdragers in de halfgeleider worden aangetrokken of uitgeput van het oppervlak, het vormen van een ruimteladingsgebied, ’ schrijven de auteurs.

Omdat de breedte van dat gebied ook een functie is van de dragerdichtheid, het verschaft een gevoelige maat voor de samenstelling van de doteerstof. "Zeer onlangs, " zegt Kabos, "We hebben in een gebied van 3 micrometer kunnen kijken en zien hoe de doping wordt verdeeld op de P-N-kruising, evenals het nauwkeurig lokaliseren van de kruising."

Alternatief, het veranderen van de microgolffrequentie onthult andere eigenschappen. "Hetzelfde materiaal kan er heel anders uitzien op 5, 7, of 18GHz, "We kunnen dus niet alleen lokaal het dopingprofiel bepalen", zegt Kabos. maar kijk ook naar de prestaties voor een bepaalde frequentie in een bepaalde regio."

Het nieuwe apparaat, gepland voor een herfstaankomst, zal veel nieuwe mogelijkheden bieden. De bestaande instrumenten hebben een enkele tip die open is naar de lucht. De nieuwe NSMM heeft vier tips, gelijktijdige vergelijking van materialen mogelijk te maken, en het is ingesloten in een ultrahoog vacuümkamer om signaalinterferentie en monsterverontreiniging te minimaliseren. Het beschikt ook over een vacuümmonstervoorbereidingskamer en temperatuurregeling van ongeveer 30 K tot kamertemperatuur.

Onder andere toepassingen, het nieuwe instrument zal de onderzoekers in staat stellen om de eigenschappen die van invloed zijn op de geschiktheid van verschillende materialen veel gedetailleerder te onderzoeken, werkend op microgolffrequenties, voor gebruik in elektronica op nanoschaal en bio-elektronica, evenals opkomende technologieën voor spintronische of fasetronische toepassingen in enkel- en meerlaagse configuraties.

Toekomstig onderzoek zal zich richten op een aantal belangrijke gebieden. Een daarvan is de mogelijke ontwikkeling van referentiematerialen. Die inspanning zal leiden tot het creëren van betrouwbare, kwantitatieve modellen voor het schatten van lokale eigenschappen van materialen en apparaten. Een ander gebied betreft het vergelijken en analyseren van veranderingen die het gevolg zijn van verschillende variabelen, het combineren van zowel spanningsafhankelijke als frequentieafhankelijke spectroscopie. Er is veel belangstelling, bijvoorbeeld, bij het meten van de afgeleide van de fase tussen het invallende en het gereflecteerde signaal van de punt-naar-monsterbelasting, evenals de momenteel gemeten afgeleide van capaciteit als functie van spanning. Dat werk zou de signaal-ruisverhouding aanzienlijk kunnen verbeteren, het verbeteren van de gevoeligheid voor waterconcentraties in biologische monsters en mogelijk het mogelijk maken van beeldvorming van levende biologische cellen in een zoutoplossing. Eindelijk, er zijn plannen om NSMM-configuraties met twee sondes en meerdere sondes te ontwikkelen die complexe microgolf-multipoort-verstrooiingsmatrixelementen kunnen meten voor breedbandtransportstudies van systemen zoals hoogfrequente spintronica en op koolstof gebaseerde nano-elektronica.