(Phys.org) — In antwoord op verzoeken van de halfgeleiderindustrie, een team van PML-onderzoekers heeft aangetoond dat atomic force microscope (AFM) sondetips gemaakt van de bijna perfecte galliumnitride nanodraden in veel opzichten superieur zijn aan standaard silicium- of platinatips in metingen die van cruciaal belang zijn voor de fabricage van microchips, nanobiotechnologie, en andere inspanningen.

In aanvulling, de wetenschappers hebben een middel uitgevonden om de nanodraadtips tegelijkertijd te gebruiken als LED's om een ​​klein monstergebied te verlichten met optische straling terwijl het scant, het toevoegen van een geheel nieuwe dimensie aan de karakterisering van nano-elektronica materialen en apparaten.

op zichzelf, een AFM levert topografische informatie met een resolutie van nanometers terwijl de sondepunt – in het bereik van 100 nm breed en opgehangen aan een vrijdragende arm – over een monsteroppervlak scant. Wanneer de tip tegelijkertijd wordt gebruikt om continu een microgolfsignaal te verzenden en te ontvangen, het systeem wordt in staat om ladingsdragerconcentraties of defectlocaties in specifieke regio's van materialen en apparaten op nanoschaal te onthullen.

die techniek, genaamd near-field scanning microscopie (NSMM), was nog nooit eerder geprobeerd met een nanodraadsonde. Maar zoals het team aantoonde in een recent artikel in Applied Physics Letters, nanodraad-sondetips presteerden aanzienlijk beter dan commerciële Pt-tips in zowel resolutie als duurzaamheid.

"Een groot probleem voor platina-sondes, " zegt Kris Bertness, Projectleider voor metrologie en synthese van 3D-nanostructuren in de afdeling Quantum Electronics and Photonics, "is dat als je ze ook maar een klein beetje vervormt, en hun vorm verandert, uw kalibratie is verloren. Omdat ze capacitief aan het monster zijn gekoppeld, vorm is alles.

"Daarentegen, onze nanodraad-sondetips hebben een kalibratielevensduur die ongeveer 10 keer langer is dan welke commerciële tip dan ook. We zien geen zichtbare slijtage na tientallen scans, overwegende dat platina vervormt, resolutie en kalibratie verliezen, na vijf tot tien scans." In een reeks van 12 scans, de straal van de Pt-tip veranderde van ~ 50 nm naar ~ 150 nm. De nanodraad, echter, zijn oorspronkelijke afmetingen behouden. Bovendien, de GaN-tips vertoonden een verbeterde gevoeligheid en verminderde onzekerheid in vergelijking met een commerciële Pt-tip.

NSMM kan zeer gedetailleerde beeldvorming produceren van de lokale dichtheid van positieve en negatieve ladingsdragers in een nanostructuur - informatie die van groot praktisch belang is voor fabrikanten van microdevices - en wetenschappers van de Electromagnetics Division van PML hebben opmerkelijke vooruitgang geboekt in de techniek. Ze geloven dat het gebruik van nanodraadsondes, in combinatie met de recente komst van een gloednieuwe, op maat gemaakt, NSMM-instrument met vier sondes, zal nieuwe aspecten van de samenstelling en prestaties van nanostructuren onthullen. In biologische materialen, het kan de aanhechting van chemische middelen of deeltjes lokaliseren die aan een cel zijn gebonden, en hulp bij de studie van eiwitdynamica.

Het inzetten van een nanodraad als sondepunt klinkt bedrieglijk eenvoudig. De onderzoekers verkrijgen een conventionele AFM-cantilever en sonde, verwijder de bestaande tip, en gebruik een apparaat dat een gefocusseerde ionenstraal wordt genoemd om een ​​gat te boren van ongeveer 5 micrometer diep in de puntbevestiging. Vervolgens, met behulp van een minuscule manipulator, ze breken een enkele nanodraad af van een 'bos' dat is gegroeid door moleculaire bundelepitaxie, steek de draad in het gat, en las het op zijn plaats. Eindelijk, de draad is gecoat met dunne lagen titanium (20 nm) en aluminium (200 nm) om het microgolfsignaal helemaal naar het einde van de punt en terug te geleiden.

De onderzoekers testten hun tip tegen een siliconen tip, een platinapunt, en een ongecoate GaN-nanodraad, die elk werden gescand over een reeks microcondensatoren van verschillende groottes. De gecoate nanodraad bleek ongeveer twee keer zo gevoelig als de Pt-sonde, en vier keer zo gevoelig als de anderen, met superieure mechanische prestaties. "Dat kan extreem belangrijk zijn voor het karakteriseren van de volgende generatie geavanceerde elektronische en opto-elektronische apparaten, " zegt Bertness. Op dit moment kunnen er maar een paar GaN-sondes tegelijk worden gemaakt, maar het team is bezig met het ontwikkelen van ideeën om ze op wafelschaal te produceren.

Tegelijkertijd, de onderzoekers bereiden zich voor om een ​​nieuwe technologie te testen waarvoor ze in juli een patent kregen, 2013:De tip van de nanodraad gebruiken als lichtbron door deze te doteren zodat hij als led functioneert. Optische straling kan dienen om het monster op een andere manier te exciteren dan het microgolfsignaal, en wetenschappers gebruiken al lasers om monsters op nanoschaal te verlichten tijdens AFM-scans.

"Het probleem met die aanpak, ", zegt veteraan NSMM-onderzoeker Pavel Kabos van het Advanced High-Frequency Devices Program in de Electromagnetics Division van PML, "is dat de laser vanaf de zijkant naar binnen moet schijnen. je krijgt slagschaduwen en grote onzekerheid over welk gebied precies wordt verlicht. En, natuurlijk, de laser en de montage ervan nemen veel ruimte in beslag.

"Met het nieuwe ontwerp de verlichting wordt direct boven de sondepunt aangebracht op dezelfde plaats op het monster dat wordt blootgesteld aan het microgolfsignaal. Dat kan met name nuttig zijn bij het karakteriseren van fotovoltaïsche materialen waar u een licht kunt toepassen en tegelijkertijd de dragerconcentratie kunt krijgen. De hele unit kan veel kleiner zijn, en met de lichtbron op nanoschaal kun je sommige dragers heel lokaal injecteren, op een manier die je met andere methoden niet kunt." Om de volgende generatie fotovoltaïsche materialen te onderzoeken, Bertness zegt, "we hebben schijnwerpers gebruikt. Maar wat we willen zien is hoe individuele korrels reageren op licht. De LED-techniek kan dat mogelijk maken. In biologische toepassingen, we verwachten dat het een orde van grootte verbetering zal opleveren in het vermogen om processen zoals eiwitdynamica te onderzoeken."

Om dat doel te bereiken, is meer onderzoek nodig naar de manier waarop de GaN-nanodraden kunnen worden gedoteerd om de efficiëntie van de lichtopbrengst te verhogen, en hoe u metingen uit topografische, magnetron, en optische modaliteiten.

Maar Bertness is optimistisch. "Het kostte tien jaar hard werken om te leren hoe deze materialen te fabriceren en te karakteriseren, en we hebben onderweg veel belangrijke metrologische technieken ontwikkeld. Maar we waren echt niet in staat om nanodraden als sondetips te testen tot een paar maanden geleden, toen de Precision Imaging Facility van het Boulder-lab een gefocuste ionenstraal kreeg. Deze eerste resultaten geven ons het vertrouwen dat deze technologie gevolgen zal hebben voor een breed scala aan wetenschappelijke en technologische problemen waarbij kennis van de eigenschappen van materialen op micrometer- en nanometerschaal cruciaal is, van halfgeleiderelektronica tot biochemie en geneeskunde."