Come si fa a conoscere un materiale che non si vede?

Questa è una domanda che i ricercatori che studiano i nanomateriali, oggetti con caratteristiche su scale sub-micrometriche come punti quantici, nanoparticelle e nanotubi—stanno cercando di rispondere.

Sebbene le recenti scoperte, tra cui una microscopia a super risoluzione che ha vinto il Premio Nobel nel 2014, abbiano notevolmente migliorato la capacità degli scienziati di utilizzare la luce per conoscere questi oggetti su piccola scala, la lunghezza d'onda della radiazione di ispezione è sempre molto più grande della scala dei nano-oggetti studiati. Per esempio, i nanotubi e i nanofili, gli elementi costitutivi dei dispositivi elettronici di prossima generazione, hanno diametri centinaia di volte inferiori a quelli che la luce potrebbe risolvere. I ricercatori devono trovare modi per aggirare questa limitazione fisica al fine di ottenere una risoluzione spaziale a lunghezza d'onda inferiore ed esplorare la natura di questi materiali per i futuri computer.

Oggi, un gruppo di scienziati:John A. Rogers, Eric Seabron, Scott MacLaren e Xu Xie dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign; Slava V. Rotkin della Lehigh University; e, William L. Wilson dell'Università di Harvard, riferiscono della scoperta di un importante metodo per misurare le proprietà dei materiali dei nanotubi utilizzando una sonda a microonde. I loro risultati sono stati pubblicati in ACS Nano in un articolo intitolato:"Riflessione a microonde della sonda di scansione dei nanotubi di carbonio a parete singola allineati:imaging della struttura elettronica e del comportamento quantistico su scala nanometrica".

I ricercatori hanno studiato i nanotubi di carbonio a parete singola. Questi sono 1-dimensionali, nanomateriali filiformi che hanno proprietà elettroniche che li rendono ottimi candidati per le tecnologie elettroniche di prossima generazione. Infatti, il primo prototipo di computer a nanotubi è già stato realizzato dai ricercatori della Stanford University. L'IBM TJ Il Watson Research Center sta attualmente sviluppando transistor a nanotubi per uso commerciale.

Per questo studio, gli scienziati hanno sviluppato una serie di linee parallele di nanotubi, simile al modo in cui i nanotubi verranno utilizzati nei chip dei computer. Ogni nanotubo era largo circa 1 nanometro, dieci volte più piccolo del previsto per l'uso nella prossima generazione di elettronica. Per esplorare le proprietà del materiale, hanno quindi utilizzato la microscopia a impedenza a microonde (MIM) per visualizzare i singoli nanotubi.

"Sebbene l'imaging in campo vicino a microonde offra uno strumento 'non distruttivo' estremamente versatile per la caratterizzazione dei materiali, non è una scelta immediatamente ovvia, " ha spiegato Rotkin, un professore con un doppio incarico nel Dipartimento di Fisica di Lehigh e nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali. "Infatti, la lunghezza d'onda della radiazione utilizzata nell'esperimento era persino più lunga di quella tipicamente utilizzata nella microscopia ottica, circa 12 pollici, che è circa 100, 000, 000 volte più grandi dei nanotubi che abbiamo misurato."

Ha aggiunto:"Il nanotubo, in questo caso, è come un ago molto luminoso in un grande pagliaio."

Il metodo di imaging che hanno sviluppato mostra esattamente dove si trovano i nanotubi sul chip di silicio. Ma ancora più importante, le informazioni fornite dal segnale a microonde dai singoli nanotubi hanno rivelato quali nanotubi erano e non erano in grado di condurre corrente elettrica. inaspettatamente, sono stati finalmente in grado di misurare la capacità quantistica dei nanotubi, una proprietà davvero unica di un oggetto del nanomondo, in queste condizioni sperimentali.

"Abbiamo iniziato la nostra collaborazione cercando di comprendere le immagini scattate dalla microscopia a microonde e abbiamo concluso svelando il comportamento quantistico del nanotubo, che ora può essere misurato con risoluzione atomistica, " disse Rotkin.

Come strumento di ispezione o tecnica metrologica, questo approccio potrebbe avere un enorme impatto sulle tecnologie future, consentendo l'ottimizzazione delle strategie di elaborazione, compresa la crescita scalabile di nanotubi arricchiti, purificazione post-crescita, e fabbricazione di migliori contatti del dispositivo. Si può ora distinguere, in un semplice passaggio, tra nanotubi semiconduttori utili per l'elettronica e quelli metallici che possono causare il guasto di un computer. Inoltre, questo insieme di modalità di imaging fa luce sulle proprietà quantistiche di queste strutture 1D.