Fig.1 (a) Illustrazione schematica del setup di misura. Il campione a film sottile C60 ha una struttura costituita da diversi strati. (b) Istantanee della dinamica degli elettroni ottenute sull'area mostrata nell'immagine STM in basso. Ogni snapshot rappresenta la distribuzione degli elettroni liberi a 1, 3, 14, e 29 ps dopo l'eccitazione dell'impulso IR. La parte inferiore è l'immagine STM dell'area di misurazione, e la posizione indicata dalla linea tratteggiata nell'immagine STM mostra i passaggi formati dagli strati molecolari. Il colore rosso (blu) rappresenta l'area con densità elettronica maggiore (minore). La densità elettronica è diminuita sul lato superiore dei gradini mentre il colore cambia dal rosso al blu, mentre gli elettroni sono rimasti anche a 29 ps dopo l'eccitazione IR sul lato inferiore poiché il colore rimane rosso. Credito:Università di Tsukuba
Un team di ricercatori della Facoltà di Scienze pure e applicate dell'Università di Tsukuba ha filmato il movimento ultraveloce degli elettroni con una risoluzione spaziale sub-nanoscala. Questo lavoro fornisce un potente strumento per studiare il funzionamento dei dispositivi a semiconduttore, che può portare a dispositivi elettronici più efficienti.
La capacità di costruire smartphone e chip per computer sempre più piccoli e veloci dipende dalla capacità dei produttori di semiconduttori di comprendere come gli elettroni che trasportano le informazioni siano influenzati dai difetti. Però, questi movimenti si verificano sulla scala dei trilionesimi di secondo, e possono essere visti solo con un microscopio in grado di visualizzare i singoli atomi. Può sembrare un compito impossibile, ma questo è esattamente ciò che un team di scienziati dell'Università di Tsukuba è stato in grado di realizzare.
Il sistema sperimentale consisteva in molecole di carbonio Buckminsterfullerene, che hanno una strana somiglianza con palloni da calcio cuciti, disposte in una struttura multistrato su un substrato d'oro. Primo, un microscopio a scansione a effetto tunnel è stato installato per catturare i filmati. Per osservare il moto degli elettroni, è stato applicato un impulso di pompa elettromagnetica a infrarossi per iniettare elettroni nel campione. Quindi, dopo un intervallo di tempo prestabilito, un singolo impulso terahertz ultraveloce è stato utilizzato per sondare il luogo delle elezioni. L'aumento del ritardo di tempo ha consentito di acquisire il "fotogramma" successivo del filmato. Questa nuova combinazione di microscopia a effetto tunnel e impulsi ultraveloci ha permesso al team di ottenere per la prima volta una risoluzione spaziale sub-nanoscala e una risoluzione temporale prossima ai picosecondi. "Utilizzando il nostro metodo, siamo stati in grado di vedere chiaramente gli effetti delle imperfezioni, come un posto vacante molecolare o un disturbo dell'orientamento, " spiega il primo autore, il professor Shoji Yoshida. L'acquisizione di ogni fotogramma ha richiesto solo due minuti circa, che consente la riproducibilità dei risultati. Ciò rende anche l'approccio più pratico come strumento per l'industria dei semiconduttori.
"Ci aspettiamo che questa tecnologia aiuti a spianare la strada verso la prossima generazione di elettronica organica, ", afferma l'autore senior, il professor Hidemi Shigekawa. Comprendendo gli effetti delle imperfezioni, alcuni posti vacanti, impurità, oppure difetti strutturali possono essere volutamente introdotti nei dispositivi per controllarne la funzione.
Fig.2 Dinamica elettronica attorno a un difetto molecolare mal orientato. (a) Immagine STM e istantanee ottenute su un'area che include il difetto indicato dalla freccia bianca. Le istantanee mostrano chiaramente che gli elettroni erano ancora intrappolati nel singolo difetto luminoso anche 63 ps dopo l'eccitazione dell'impulso IR come mostrato in (b). Il difetto appare più luminoso delle altre molecole C60 a causa della trappola di elettroni nel singolo sito molecolare. Credito:Università di Tsukuba
