Usando luz azul para medir elétrons em materiais avançados

Sep 10, 2023

Usando luz azul para medir elétrons em materiais avançados: PROVIDENCE, RI[Universidade Brown] — Com uma nova técnica de microscopia que usa luz azul para medir elétrons em semicondutores e outros materiais em nanoescala, uma equipe de pesquisadores da Universidade Brown está abrindo um novo campo de possibilidades no estudo desses componentes críticos, que podem ajudar a alimentar dispositivos como telefones celulares e laptops.

As descobertas são inéditas em imagens em nanoescala e fornecem uma solução para um problema de longa data que limitou bastante o estudo de fenômenos-chave em uma ampla variedade de materiais que poderiam um dia levar a semicondutores e eletrônicos com maior eficiência energética. O trabalho publicado na Light: Science & Applications.

"Há muito interesse hoje em dia em estudar materiais com resolução em nanoescala usando óptica", disse Daniel Mittleman, professor da Brown's School of Engineering e autor do artigo que descreve o trabalho. "À medida que o comprimento de onda fica mais curto, isso se torna muito mais difícil de implementar. Como resultado, ninguém jamais havia feito isso com luz azul até agora."

Normalmente, quando os pesquisadores usam óptica como lasers para estudar materiais em nanoescala, eles usam luz que emite comprimentos de onda longos, como luz vermelha ou infravermelha. O método que os pesquisadores analisaram no estudo é chamado de microscopia de campo próximo de varredura do tipo dispersão (s-SNOM). Envolve a dispersão da luz de uma ponta afiada com apenas algumas dezenas de nanômetros de diâmetro. A ponta paira logo acima do material de amostra a ser fotografado. Quando essa amostra é iluminada com luz óptica, a luz se espalha e uma parte da luz espalhada fica com informações sobre a região de tamanho nanométrico da amostra diretamente abaixo da ponta. Os pesquisadores analisam essa radiação espalhada para extrair informações sobre esse pequeno volume de material.

A técnica tem estado na base de muitos avanços tecnológicos, mas atinge um obstáculo quando se trata de usar luz com um comprimento de onda muito mais curto, como a luz azul. Isso significa que usar a luz azul, que é mais adequada para estudar certos materiais para os quais a luz vermelha é ineficaz, para obter novos insights de semicondutores já bem estudados está fora de alcance desde a década de 1990, quando a técnica foi inventada.

Usando luz azul para medir elétrons em materiais avançados: No novo estudo, os pesquisadores de Brown apresentam como contornaram esse obstáculo para realizar o que se acredita ser a primeira demonstração experimental de s-SNOM usando luz azul em vez de vermelha.

Para o experimento, os pesquisadores usaram a luz azul para obter medições de uma amostra de silício que não pode ser obtida com luz vermelha. As medições forneceram uma valiosa prova de conceito sobre o uso de comprimentos de onda mais curtos para estudar materiais em nanoescala.

"Fomos capazes de comparar essas novas medições com o que se poderia esperar do silício, e a correspondência foi muito boa", disse Mittleman. "Isso confirma que nossa medição funciona e que entendemos como interpretar os resultados. Agora podemos começar a estudar todos esses materiais de uma forma que não podíamos antes."

Para conduzir o experimento, os pesquisadores tiveram que ser criativos. Essencialmente, eles decidiram tornar as coisas mais fáceis, tornando-as mais complicadas. Com a técnica típica, por exemplo, a luz azul é difícil de usar porque seu comprimento de onda é muito curto, o que significa que é mais difícil focar no ponto certo perto da ponta de metal. Se não estiver alinhado corretamente, a medição não funcionará. Com a luz vermelha, essa condição de foco é mais relaxada, facilitando o alinhamento da ótica para extrair a luz espalhada com eficiência.

Com esses desafios em mente, os pesquisadores usaram a luz azul não apenas para iluminar a amostra para que a luz se espalhasse, mas também para produzir uma explosão de radiação terahertz da amostra. A radiação carrega informações importantes sobre as propriedades elétricas da amostra. Embora a solução acrescente uma etapa extra e aumente a quantidade de dados que os cientistas precisam analisar, ela elimina a necessidade de ser tão preciso quanto ao alinhamento da ponta sobre a amostra. A chave aqui é que, como a radiação terahertz tem um comprimento de onda muito maior, ela é alinhada com muito mais facilidade.