Un singolo nanofilo di GaN viene rimosso da una "foresta" di fili cresciuti mediante epitassia di fasci molecolari. Fare clic sull'immagine per un ingrandimento che mostra il nanofilo inserito in un foro praticato in una sonda AFM. Entrambe le immagini sono in falsi colori per maggiore chiarezza.
(Phys.org) — In risposta alle richieste dell'industria dei semiconduttori, un team di ricercatori PML ha dimostrato che le punte delle sonde del microscopio a forza atomica (AFM) realizzate con i suoi nanofili di nitruro di gallio quasi perfetti sono superiori sotto molti aspetti alle punte standard in silicio o platino nelle misurazioni di importanza fondamentale per la fabbricazione di microchip, nanobiotecnologie, e altri sforzi.
Inoltre, gli scienziati hanno inventato un mezzo per utilizzare simultaneamente le punte dei nanofili come LED per illuminare una piccola regione del campione con radiazioni ottiche durante la scansione, aggiungendo una dimensione completamente nuova alla caratterizzazione di materiali e dispositivi nanoelettronici.
Da solo, un AFM fornisce informazioni topografiche a una risoluzione nanometrica mentre la punta della sonda – nell'intervallo di 100 nm di larghezza e sospesa da un braccio a sbalzo – esegue la scansione su una superficie del campione. Quando la punta viene utilizzata contemporaneamente per trasmettere e ricevere continuamente un segnale a microonde, il sistema diventa in grado di rivelare le concentrazioni di portatori di carica o le posizioni dei difetti in regioni specifiche di materiali e dispositivi su scala nanometrica.
quella tecnica, chiamata microscopia a microonde a scansione in campo vicino (NSMM), non era mai stato tentato prima di utilizzare una sonda a nanofili. Ma come il team ha mostrato in un recente articolo su Applied Physics Letters, le punte delle sonde a nanofilo hanno sostanzialmente superato le punte in Pt commerciali sia in termini di risoluzione che di durata.
"Un grosso problema per le sonde al platino, "dice Kris Bertness, Project Leader per la Metrologia e la Sintesi di Nanostrutture 3D nella Divisione Elettronica Quantistica e Fotonica, "è che se li deformi anche un po', e la loro forma cambia, la tua calibrazione è persa. Poiché sono accoppiati capacitivamente al campione, la forma è tutto.
"Al contrario, le nostre punte per sonde a nanofilo hanno una durata di calibrazione circa 10 volte più lunga di qualsiasi punta commerciale. Non vediamo usura visibile dopo aver eseguito decine di scansioni, mentre il platino si deforma, perdere risoluzione e calibrazione, dopo cinque-dieci scansioni." In una serie di 12 scansioni, il raggio della punta Pt è cambiato da ~ 50 nm a ~ 150 nm. Il nanofilo, però, mantenuto le sue dimensioni originarie. Inoltre, le punte in GaN hanno mostrato una migliore sensibilità e una ridotta incertezza rispetto a una punta in Pt commerciale.
L'illuminazione di un campione NSMM con un laser convenzionale porta la luce in un angolo e aumenta notevolmente lo spazio occupato dall'apparato.
NSMM può produrre immagini molto dettagliate della densità locale dei portatori di carica positiva e negativa all'interno di una nanostruttura - informazioni di grande significato pratico per i produttori di microdispositivi - e gli scienziati della divisione elettromagnetica di PML hanno compiuto notevoli progressi nella tecnica. Credono che l'uso di sonde a nanofili, in concomitanza con il recente arrivo di un nuovissimo, su misura, strumento NSMM a quattro sonde, rivelerà nuovi aspetti della composizione e delle prestazioni delle nanostrutture. Nei materiali biologici, potrebbe localizzare l'attaccamento di agenti chimici o particelle che sono legate a una cellula, e aiuto nello studio della dinamica delle proteine.
L'implementazione di un nanofilo come punta della sonda sembra ingannevolmente semplice. I ricercatori ottengono un cantilever e una sonda AFM convenzionali, rimuovere la punta esistente, e utilizzare un dispositivo chiamato fascio ionico focalizzato per praticare un foro di circa 5 micrometri di profondità nel supporto della punta. Quindi, usando un minuscolo manipolatore, rompono un singolo nanofilo da una "foresta" di essi cresciuto per epitassia di fasci molecolari, inserire il filo nel foro, e saldarlo in posizione. Finalmente, il filo è rivestito con sottili strati di titanio (20 nm) e alluminio (200 nm) per condurre il segnale a microonde fino all'estremità della punta e viceversa.
I ricercatori hanno testato la loro punta contro una punta di silicio, una punta di platino, e un nanofilo di GaN non rivestito, ognuno dei quali è stato scansionato su una serie di microcondensatori di diverse dimensioni. Il nanofilo rivestito si è dimostrato circa due volte più sensibile della sonda Pt, e quattro volte più sensibile degli altri, con prestazioni meccaniche superiori. "Questo può essere estremamente importante per caratterizzare la prossima generazione di dispositivi elettronici e optoelettronici avanzati, " dice Bertness. Al momento si possono fare solo poche sonde GaN alla volta, ma il team è al lavoro per sviluppare idee per produrli in quantità su scala wafer.
Allo stesso tempo, i ricercatori si stanno preparando a testare una nuova tecnologia per la quale hanno ottenuto un brevetto a luglio, 2013:utilizzo della punta del nanofilo come fonte di luce drogandola in modo che funzioni come un LED. La radiazione ottica può servire ad eccitare il campione in modo diverso dal segnale a microonde, e gli scienziati stanno già utilizzando i laser per illuminare campioni su nanoscala durante le scansioni AFM.
"Il problema con questo approccio, ", afferma il veterano ricercatore NSMM Pavel Kabos dell'Advanced High-Frequency Devices Program nella divisione Electromagnetics di PML, "è che il laser deve brillare lateralmente. Di conseguenza, si ottengono ombre proiettate e una significativa incertezza su quale area viene illuminata esattamente. E, Certo, il laser e il suo montaggio occupano molto spazio.
"Con il nuovo design, l'illuminazione verrà applicata direttamente sulla punta della sonda nello stesso punto del campione esposto al segnale a microonde. Ciò potrebbe essere particolarmente vantaggioso nella caratterizzazione di materiali fotovoltaici in cui è possibile applicare una luce e ottenere allo stesso tempo la concentrazione del vettore. L'intera unità può essere molto più piccola, e la sorgente di luce su nanoscala consente di iniettare alcuni portatori molto localmente, in un modo che non puoi fare con altri metodi." Per ricercare la prossima generazione di materiali fotovoltaici, Bertness dice, "Abbiamo utilizzato l'illuminazione flood. Ma quello che vogliamo vedere è come i singoli grani rispondono alla luce. La tecnica LED può renderlo possibile. Nelle applicazioni biologiche, ci aspettiamo che fornisca un miglioramento dell'ordine di grandezza nella capacità di indagare su processi come la dinamica delle proteine".
Il nuovo, lo strumento NSMM a quattro sonde ha quattro punte, permettendo confronti simultanei di materiali. Le sonde sono racchiuse in una camera a vuoto ultraelevato per ridurre al minimo le interferenze e la contaminazione.
Raggiungere questo obiettivo richiederà ulteriori ricerche su come drogare i nanofili di GaN in modo da aumentare l'efficienza dell'emissione luminosa, e come coordinare e integrare le misurazioni topografiche, microonde, e modalità ottiche.
Ma Bertness è ottimista. "Ci sono voluti dieci anni di duro lavoro per imparare a fabbricare e caratterizzare questi materiali, e lungo il percorso abbiamo sviluppato molte importanti tecniche di metrologia. Ma non siamo stati davvero in grado di testare i nanofili come punte delle sonde fino a pochi mesi fa, quando il Precision Imaging Facility del laboratorio di Boulder ha ottenuto un fascio di ioni focalizzato. Questi risultati iniziali ci danno la certezza che questa tecnologia avrà un impatto su un'ampia gamma di problemi scientifici e tecnologici in cui è fondamentale conoscere le proprietà dei materiali su scala micrometrica e nanometrica, dall'elettronica dei semiconduttori alla biochimica e alla medicina."
