(Phys.org) — La capacità del NIST di determinare la composizione e la fisica di materiali e dispositivi su scala nanometrica sta per migliorare notevolmente con l'arrivo di un nuovo microscopio a microonde a scansione di campo vicino (NSMM).

Il nome può essere un boccone, ma i NSMM meritano ogni sillaba. Poche tecniche possono effettuare misurazioni di risoluzione equivalente per una gamma così ampia di campioni, compresi i semiconduttori, nanocavo semiconduttore, materiali per applicazioni fotovoltaiche, materiali magnetici, materiali multiferroici, e anche proteine ​​e DNA.

Ricercatori della Divisione Elettromagnetica di PML, utilizzando NSMM commerciali e fatti in casa esistenti, hanno aperto la strada a molte applicazioni, in particolare, compresa la determinazione della distribuzione del drogante dei semiconduttori (cioè, concentrazioni di portatori di carica) in 2D e 3D. Tale capacità è richiesta da una varietà di tecnologie emergenti, come l'elettronica molecolare, nanotubi di carbonio, nanofili, grafene, e l'elettronica basata sullo spin. Il nuovo strumento dovrebbe accelerare significativamente questi progressi.

"Fondamentalmente, quello che stiamo facendo è utilizzare la risoluzione spaziale molto fine degli strumenti a scansione di sonda come i microscopi a effetto tunnel o i microscopi a forza atomica (AFM) e combinarla con la compatibilità a banda larga delle misurazioni a microonde, " afferma Mitch Wallis del Radio-Frequency Electronics Group. "La nostra motivazione è che vogliamo esaminare cose come la risonanza magnetica o la risonanza meccanica su scala nanometrica utilizzando le microonde. Se guardi il tuo cellulare o il tuo computer, operano tutti nel raggio di pochi gigahertz. Quindi dobbiamo misurare gli oggetti su scala nanometrica che compongono quei dispositivi per capire come si comportano a quelle frequenze. Altrimenti, sarà molto più difficile integrarli in utili dispositivi commerciali."

A grandi linee, una configurazione NSMM consiste in un microscopio a forza atomica combinato con un segnale a microonde continuo o pulsato applicato alla punta dell'AFM. La punta scansiona il campione in un contatto morbido o a una distanza di pochi nanometri dalla superficie, emettendo un segnale a microonde che viene disperso dal materiale, alterando la sua frequenza, ampiezza e altre proprietà. La natura del segnale alterato che ritorna alla punta, che funge anche da antenna ricevente, dipende in modo critico da variabili quali permeabilità, permettività, resistenza del foglio, costante dielettrica, impedenza, o il modo in cui la capacità cambia con la tensione, che a loro volta sono determinate dalla composizione fisica dell'oggetto in esame.

"Misurando il segnale diffuso dipendente dalla frequenza, noi abbiamo, in effetti, un'altra manopola da girare, " afferma il ricercatore veterano Pavel Kabos dell'Advanced High-Frequency Devices Program. "E molto recentemente siamo stati in grado di esaminare le proprietà locali di campioni di dimensioni estremamente ridotte, molto vicino al livello della singola molecola.

Questo è di grande interesse, Per esempio, ai progettisti e ai produttori di microchip che hanno bisogno di conoscere il profilo di drogaggio attorno a un gate a transistor o a un source o a drain in un chip di memoria dinamico ad accesso casuale."

Le informazioni spaziali registrate dalla punta di scansione vengono unite ai dati del segnale a microonde di ritorno in ogni punto in un'area designata (tipicamente pochi micrometri quadrati) per creare un'immagine composita. Gli NSMM possono essere sintonizzati per produrre immagini a profondità che vanno da sub-micrometro a 100 μm sotto la superficie. "Così, Per esempio, se hai un sottile strato di metallo sopra il campione e un materiale piezoelettrico sotto, puoi vedere cosa sta succedendo al materiale piezoelettrico attraverso la lamiera, " dice Kabo.

Può sembrare controintuitivo che lunghezze d'onda dell'ordine di un centimetro fino a pochi millimetri possano fornire una risoluzione su scala nanometrica. "È una specie di paradosso, " Kabos dice, "finché non guardi le dimensioni coinvolte. La punta affilata dell'AFM è larga solo circa 100 nanometri, ed è posizionato a pochi nanometri dalla superficie o è a contatto morbido con il campione. È l'elevazione della punta che governa la risoluzione. La distanza della punta è molto più piccola della lunghezza d'onda del segnale che predominano gli effetti di "campo vicino", consentendo una risoluzione in nanometri e altamente accurata, misurazioni quantitative".

I ricercatori possono alterare sia la tensione della punta che la frequenza delle microonde per esaminare diversi aspetti del campione. Per esempio, in un articolo del 2012, Atif Imtiaz e colleghi di PML, insieme ai ricercatori del produttore di strumenti Agilent Technologies, Inc., ha mostrato come la modifica della polarizzazione della punta riveli la densità di portante locale in un semiconduttore, e quindi il profilo drogante di una regione. "A seconda del segno dello sbieco applicato alla punta, i portatori di carica nel semiconduttore sono attratti o impoveriti dalla superficie, formando una regione di carica spaziale, " scrivono gli autori.

Poiché la larghezza di quella regione è anche una funzione della densità dei portatori, fornisce una misura sensibile della composizione del drogante. "Molto recentemente, " Kabos dice, "siamo stati in grado di esaminare un'area larga 3 micrometri e vedere come il doping è distribuito alla giunzione P-N, oltre a individuare con precisione l'incrocio."

In alternativa, la modifica della frequenza delle microonde rivela altre proprietà. "Lo stesso materiale può sembrare molto diverso a 5, 7, o 18GHz, " dice Kabos. "Quindi non solo possiamo determinare il profilo di doping a livello locale, ma guarda anche alle prestazioni per una data frequenza in una data regione."

Il nuovo dispositivo, previsto per un arrivo autunnale, fornirà molte nuove funzionalità. Gli strumenti esistenti hanno un'unica punta aperta all'aria. Il nuovo NSMM ha quattro suggerimenti, consentendo confronti simultanei di materiali, ed è racchiuso in una camera ad altissimo vuoto per ridurre al minimo l'interferenza del segnale e la contaminazione del campione. Dispone inoltre di una camera di preparazione del campione sotto vuoto e di un controllo della temperatura da circa 30 K a temperatura ambiente.

Tra gli altri usi, il nuovo strumento consentirà ai ricercatori di esplorare in modo molto più dettagliato le proprietà che influenzano l'idoneità dei vari materiali, operanti alle frequenze delle microonde, per l'uso in elettronica e bioelettronica su scala nanometrica, così come le tecnologie emergenti per le applicazioni spintroniche o phasetronic in configurazioni a strato singolo e multistrato.

La ricerca futura affronterà diverse aree importanti. Uno è il possibile sviluppo di materiali di riferimento. Tale sforzo comporterà la creazione di affidabili, modelli quantitativi per la stima delle proprietà locali di materiali e dispositivi. Un'altra area riguarda il confronto e l'analisi dei cambiamenti derivanti da diverse variabili, combinando sia la spettroscopia voltaggio-dipendente che frequenza-dipendente. C'è un notevole interesse, Per esempio, nel misurare la derivata della fase tra il segnale incidente e quello riflesso dal carico punta-campione, così come la derivata attualmente misurata della capacità in funzione della tensione. Quel lavoro potrebbe fornire miglioramenti significativi al rapporto segnale-rumore, migliorare la sensibilità alle concentrazioni di acqua nei campioni biologici e potenzialmente consentire l'imaging di cellule biologiche viventi in soluzione salina. Finalmente, ci sono piani per ideare configurazioni NSMM a due e più sonde in grado di misurare elementi complessi della matrice di scattering multiporta a microonde per studi di trasporto a banda larga di sistemi come la spintronica ad alta frequenza e la nanoelettronica a base di carbonio.