Diagrammi che illustrano il principio di funzionamento della tecnica della sonda a quattro punti utilizzando un microscopio spettroscopico. Credito:Istituto Nazionale per la Scienza dei Materiali
I ricercatori NIMS Bo Da (ricercatore presso RCAMC e CMI2, MaDIS) e Hideki Yoshikawa (leader del Surface Chemical Analysis Group) e un gruppo di ricerca guidato da Shigeo Tanuma (ricercatore speciale NIMS), Kazuhito Tsukakoshi (investigatore principale MANA, NIM), Kazuyuki Watanabe (professore, Tokyo University of Science) e Zejun Ding (professore, University of Science and Technology of China) hanno sviluppato congiuntamente versatili tecniche di microscopia spettroscopica in grado di misurare simultaneamente un film nanosottile a un'ampia gamma di livelli di energia degli elettroni, da energia quasi zero ad alta energia, utilizzando un microscopio che impiega fasci di elettroni. Il gruppo ha anche dimostrato l'efficacia della tecnica.
I metodi convenzionali di misurazione delle pellicole nanosottili richiedono grande attenzione perché richiedono la modifica del livello di energia di un fascio di elettroni incidente monocromatico e la regolazione del sistema ottico elettronico durante la misurazione dell'immagine al microscopio elettronico. Abbiamo affrontato questo problema utilizzando un approccio creativo. Abbiamo sviluppato una nuova tecnica di misurazione utilizzando elettroni secondari, generati in un materiale di substrato e con un'ampia distribuzione di energia, come una sonda virtuale di elettroni bianchi. Per ridurre questa tecnica alla pratica, avevamo bisogno di eliminare completamente i segnali di fondo dagli elettroni secondari. Abbiamo adottato il metodo della sonda a quattro punti utilizzato in astronomia per rilevare con precisione i segnali deboli catturati dai telescopi. Questo metodo ci ha permesso di misurare simultaneamente la trasmittanza elettronica del grafene a un'ampia gamma di livelli di energia tra quasi zero e 600 elettronvolt. Abbiamo quindi confermato che i valori misurati corrispondevano bene ai valori teorici. Questo studio riporta per la prima volta che le informazioni sulle proprietà di un materiale ―nello specifico, la trasmittanza elettronica di film nano-sottili può essere estratta da segnali di elettroni secondari.
La misurazione delle caratteristiche di trasmittanza di un materiale mediante luce visibile di vari livelli di energia è analoga all'identificazione del colore del materiale. Allo stesso modo, la misurazione della trasmittanza elettronica di un film nanosottile utilizzando elettroni di vari livelli di energia è analoga all'identificazione del colore di un'area localizzata del film utilizzando un "occhio" (elettroni) più strettamente focalizzato. È difficile determinare rapidamente la qualità (ad es. colore) di film nanosottili in siti target specifici, poiché il film stesso è normalmente difficile da individuare. Di conseguenza, tecniche come quella sviluppata in questo studio saranno molto preziose nella ricerca su nuovi film nanosottili in cui deve essere garantita la consistenza qualitativa del film su una vasta area.