La nanofabbricazione di dispositivi elettronici ha raggiunto una scala nanometrica (10 ^-9 m). Il rapido progresso della nanoscienza e della nanotecnologia ora richiede la spettroscopia ottica su scala atomica per caratterizzare le strutture atomistiche che influenzeranno le proprietà e le funzioni dei dispositivi elettronici.

Il team internazionale guidato da Takashi Kumagai presso l'Institute for Molecular Science ha scoperto un enorme miglioramento dello scattering Raman mediato dalla formazione di un punto di contatto atomico tra una punta d'argento plasmonico e una superficie ricostruita Si(111)-7×7. Ciò è stato ottenuto mediante la spettroscopia Raman avanzata a bassa temperatura con punta avanzata che consente di condurre la spettroscopia vibrazionale su scala atomica.

Il meccanismo di potenziamento scoperto dello scattering Raman aprirà la possibilità della spettroscopia vibrazionale ultrasensibile su scala atomica per studiare le strutture superficiali dei semiconduttori. Inoltre, la microscopia ottica sviluppata su scala atomica aprirà la strada all'esplorazione delle interazioni luce-materia su scala atomica, portando a una nuova disciplina nella scienza e nella tecnologia della luce.

La super integrazione dei dispositivi elettronici è entrata in una scala nanometrica, richiedendo metodi analitici in grado di indagare in dettaglio strutture e difetti su scala atomica. Il progresso della microscopia ottica a scansione in campo vicino ha consentito l'imaging su nanoscala e analisi chimiche su scala nanometrica. Più recentemente, è stato dimostrato che la risoluzione spaziale di questa tecnica raggiunge la scala atomica. In particolare, La spettroscopia Raman potenziata dalla punta ha attirato una crescente attenzione come microscopia chimica ultrasensibile. Però, per ottenere un segnale Raman dalle superfici dei semiconduttori, era necessario aumentare ulteriormente la sensibilità.

Il team di ricerca ha applicato la spettroscopia Raman avanzata a bassa temperatura con punta avanzata, sviluppato in collaborazione con Fritz-Haber Institute, per ottenere gli spettri di vibrazione da una superficie di silicio. La spettroscopia Raman potenziata dalla punta impiega una forte interazione luce-materia tra un materiale e la luce su scala nanometrica (risonanza plasmonica superficiale localizzata) generata su una punta metallica atomicamente appuntita. Il team di ricerca ha scoperto che la formazione di un punto di contatto atomico di una punta d'argento e una superficie ricostruita Si(111)-7×7 porta a un enorme miglioramento della diffusione Raman. La Figura 1a illustra l'esperimento. Una punta affilata d'argento fabbricata da un fascio di ioni focalizzato (figura 1b, top) viene spostato verso la superficie del silicio (figura 1b, parte inferiore), durante il monitoraggio degli spettri Raman dalla giunzione. La Figura 1c mostra il diagramma a cascata degli spettri Raman ottenuti, dove l'asse orizzontale si sposta Raman, e la scala dei colori l'intensità Raman. Quando la punta è in regime di tunneling, solo la modalità fononica ottica del silicio sfuso si osserva a 520 cm ^-1 . Però, quando il punto di contatto atomico tra la punta e la superficie, la forte diffusione Raman dai modi fononici di superficie appare improvvisamente. Queste modalità scompaiono di nuovo quando la punta viene allontanata dalla superficie e il contatto del punto atomico viene interrotto.

Il team di ricerca ha inoltre dimostrato che questa spettroscopia Raman di contatto del punto atomico (APCRS) può risolvere le strutture su scala atomica della superficie del silicio. Come mostrato in figura 2, lo spettro Raman è diverso quando è registrato a un gradino atomico della superficie. Per di più, i modi caratteristici di vibrazione possono essere osservati selettivamente nel sito ossidato localmente (figura 3), che indica la sensibilità chimica su scala atomica della spettroscopia Raman di contatto atomico.

In precedenza si pensava che fosse necessario un nanogap plasmonico per ottenere la sensibilità ultraelevata nella spettroscopia Raman potenziata dalla punta, che in genere richiede un substrato metallico. Ciò ha imposto una grave limitazione ai campioni misurabili. La scoperta dell'enorme miglioramento Raman sulla formazione del punto di contatto atomico amplierà il potenziale della spettroscopia di vibrazione su scala atomica, che è applicabile a campioni non plasmonici e l'eccezionale sensibilità chimica sarà ottenuta per molti altri materiali. Inoltre, i nostri risultati suggeriscono anche che le strutture su scala atomica giocano un ruolo indispensabile nei nanosistemi ibridi metallo-semiconduttore per influenzare le loro proprietà optoelettroniche.