I chip che guidano i gadget elettronici di tutti i giorni come personal computer e smartphone sono realizzati in impianti di fabbricazione di semiconduttori. Queste piante impiegano potenti microscopi elettronici a trasmissione. Sebbene possano vedere strutture fisiche più piccole di un miliardesimo di metro, questi microscopi non hanno modo di vedere l'attività elettronica che fa funzionare i dispositivi.

Questo potrebbe presto cambiare, grazie a una nuova tecnica di imaging sviluppata dai ricercatori dell'UCLA e della University of Southern California. Questo progresso può consentire a scienziati e ingegneri di osservare e comprendere l'attività elettronica all'interno dei dispositivi funzionanti, e infine migliorarne la funzionalità.

Lo studio, che è stato pubblicato online in Revisione fisica applicata , è stato guidato da Chris Regan, Professore di fisica e astronomia all'UCLA e membro del California NanoSystems Institute.

Il nuovo metodo mostra dettagli che gli approcci tradizionali con i microscopi elettronici non catturano, rivelando anche gli stati elettronici all'interno di un campione, in precedenza impossibile utilizzando tali microscopi.

"Certo che preferiresti guardare i dispositivi dal vivo, " ha detto Regan. "Vogliamo vedere cosa rende vivo un dispositivo in senso elettronico, e le tecniche standard non possono."

Un dispositivo elettronico può essere paragonato al cervello umano. Il cervello viene comunemente fotografato tramite raggi X, che danno un quadro preciso della sua struttura fisica.

"C'è un sacco di fisica e chimica molto sottili che accadono nel tuo cervello, e se hai fatto una foto, non ne vedresti niente, " Ha detto Regan. "L'immagine manca di alcune cose molto drammatiche che rendono il tuo cervello un posto interessante."

La tecnica che lui e il suo team hanno creato è meno simile all'imaging a raggi X, e più come la risonanza magnetica funzionale, o fMRI, test che i neuroscienziati usano per tracciare il flusso sanguigno all'interno del cervello.

"Con la risonanza magnetica, puoi vedere illuminarsi le parti che vengono utilizzate, " Ha detto Regan. "Questo ti dà un'idea di come funziona il cervello. Allo stesso modo, la nostra tecnica ti permette di vedere le cose che cambiano mentre un dispositivo elettronico funziona."

I microscopi elettronici utilizzano fasci di elettroni per aiutare gli scienziati a "vedere" un oggetto. In questo studio, i ricercatori hanno abbinato un microscopio elettronico a trasmissione a scansione, o STEM, e imaging di corrente indotta da fascio di elettroni, noto come imaging EBIC.

L'imaging EBIC utilizza un amplificatore per misurare la corrente elettrica in un campione esposto al fascio di elettroni di un microscopio. Questa tecnica, dimostrata per la prima volta negli anni '60, è utile per mostrare il campo elettrico incorporato in alcuni dispositivi come le celle solari. Ma in questo caso, i ricercatori hanno esaminato i dispositivi privi di campi elettrici incorporati.

Acquisizione sia delle immagini standard del microscopio a scansione che delle immagini EBIC, i ricercatori hanno esaminato un semplice paio di elettrodi. Le immagini EBIC hanno prodotto una risoluzione e un contrasto mai visti prima. Questo metodo ha mostrato quale elettrodo stava ricevendo corrente, e ha anche prodotto una mappa dettagliata della conduttività degli elettrodi.

"Quando abbiamo iniziato a sviluppare questa tecnica, stavamo guardando campioni in cui c'è un cambiamento fisico molto sottile ma un enorme cambiamento elettronico, " disse William Hubbard, un borsista post-dottorato nel laboratorio di Regan e primo autore dello studio. "Abbiamo visto un contrasto davvero interessante che non si può ottenere in altro modo".

Per capire il meccanismo al lavoro, il team ha utilizzato due amplificatori per registrare due misurazioni EBIC, un'altra innovazione, e ha scoperto che l'imaging EBIC rilevava segnali deboli da elettroni secondari. Questa sensibilità ha permesso loro di visualizzare non solo dove si trovano gli elettroni, ma dove non lo sono:elementi fondamentali del flusso di corrente in un chip.

La ricchezza dei dati ha sorpreso anche i ricercatori quando hanno applicato per la prima volta la tecnica.

"Abbiamo visto qualcosa di molto inaspettato che ci ha reso incredibilmente eccitati, " disse Hubbard. "Quindi direi che ha funzionato meglio di quanto ci aspettassimo."

La produzione di fette di campione sufficientemente sottili per l'imaging con la microscopia elettronica a trasmissione rende i chip contemporanei inutilizzabili. Ma, man mano che i componenti diventano più piccoli e sottili nel tempo, questa ricerca potrebbe aprire nuove possibilità per capire cosa succede all'interno dei dispositivi consumer del futuro.