Hoe leer je een materiaal kennen dat je niet kunt zien?

Dat is een vraag die onderzoekers die nanomaterialen bestuderen - objecten met kenmerken op submicrometerschalen zoals kwantumdots, nanodeeltjes en nanobuisjes - zoeken een antwoord.

Hoewel recente ontdekkingen - waaronder een superresolutiemicroscopie die in 2014 de Nobelprijs won - het vermogen van wetenschappers om licht te gebruiken om meer te weten te komen over deze kleinschalige objecten, aanzienlijk hebben verbeterd, de golflengte van de inspecterende straling is altijd veel groter dan de schaal van de nano-objecten die worden bestudeerd. Bijvoorbeeld, nanobuisjes en nanodraden - de bouwstenen van elektronische apparaten van de volgende generatie - hebben een diameter die honderden keren kleiner is dan het licht zou kunnen oplossen. Onderzoekers moeten manieren vinden om deze fysieke beperking te omzeilen om ruimtelijke resolutie onder de golflengte te bereiken en de aard van deze materialen voor toekomstige computers te onderzoeken.

Vandaag, een groep wetenschappers - John A. Rogers, Eric Seabron, Scott MacLaren en Xu Xie van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign; Slava V. Rotkin van de Lehigh University; en, William L. Wilson van de Harvard-universiteit rapporteren over de ontdekking van een belangrijke methode voor het meten van de eigenschappen van nanobuismaterialen met behulp van een microgolfsonde. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in ACS Nano in een artikel genaamd:"Scanning Probe Microwave Reflectivity of Aligned Single-Walled Carbon Nanotubes:Imaging of Electronic Structure and Quantum Behavior op nanoschaal."

De onderzoekers bestudeerden enkelwandige koolstofnanobuisjes. Deze zijn 1-dimensionaal, draadachtige nanomaterialen die elektronische eigenschappen hebben waardoor ze uitstekende kandidaten zijn voor elektronische technologieën van de volgende generatie. In feite, het eerste prototype van een nanobuiscomputer is al gebouwd door onderzoekers van Stanford University. De IBM T.J. Watson Research Center ontwikkelt momenteel nanobuistransistors voor commercieel gebruik.

Voor deze studie is wetenschappers groeiden een reeks parallelle nanobuislijnen, vergelijkbaar met de manier waarop nanobuisjes in computerchips zullen worden gebruikt. Elke nanobuis was ongeveer 1 nanometer breed - tien keer kleiner dan verwacht voor gebruik in de volgende generatie elektronica. Om de eigenschappen van het materiaal te verkennen, ze gebruikten vervolgens microgolfimpedantiemicroscopie (MIM) om individuele nanobuisjes in beeld te brengen.

"Hoewel microgolf-near-field-beeldvorming een uiterst veelzijdig 'niet-destructief' hulpmiddel biedt voor het karakteriseren van materialen, het is niet meteen een voor de hand liggende keuze, " legde Rotkin uit, een professor met een dubbele aanstelling in Lehigh's Department of Physics en Department of Materials Science and Engineering. "Inderdaad, de golflengte van de straling die in het experiment werd gebruikt, was zelfs langer dan wat doorgaans wordt gebruikt in optische microscopie - ongeveer 30 cm, dat is ongeveer 100, 000, 000 keer groter dan de nanobuisjes die we hebben gemeten."

Hij voegde eraan toe:"De nanobuis, in dit geval, is als een zeer heldere speld in een zeer grote hooiberg."

De door hen ontwikkelde beeldvormende methode laat precies zien waar de nanobuisjes zich op de siliciumchip bevinden. Belangrijker, de informatie die door het microgolfsignaal van individuele nanobuisjes werd geleverd, onthulde welke nanobuisjes wel en niet in staat waren elektrische stroom te geleiden. Onverwacht, ze waren eindelijk in staat om de kwantumcapaciteit van nanobuisjes te meten - een zeer unieke eigenschap van een object uit de nanowereld - onder deze experimentele omstandigheden.

"We begonnen onze samenwerking om de beelden te begrijpen die door de microgolfmicroscopie zijn genomen en eindigden met het onthullen van het kwantumgedrag van de nanobuis, die nu kan worden gemeten met atomistische resolutie, ' zei Rotkin.

Als inspectie-instrument of metrologische techniek, deze aanpak kan een enorme impact hebben op toekomstige technologieën, waardoor optimalisatie van verwerkingsstrategieën mogelijk is, waaronder schaalbare verrijkte nanobuisgroei, zuivering na de groei, en fabricage van betere apparaatcontacten. Men kan nu onderscheiden, in één simpele stap, tussen halfgeleider nanobuisjes die nuttig zijn voor elektronica en metalen die een computer kunnen laten uitvallen. Bovendien werpt deze reeks beeldvormingsmodi licht op de kwantumeigenschappen van deze 1D-structuren.