高分辨率显微镜和超快激光可精确识别半导体中的缺陷

密歇根州立大学将红色波浪箭头所示的太赫兹激光光束与扫描隧道显微镜（STM）的尖端结合在一起--深色的金字塔形状与蓝色表面所示的样品交换红色电子。资料来源：Eve Ammerman

要把更智能、更强大的电子器件塞进日益缩小的设备中，所面临的挑战之一就是开发工具和技术，对组成这些器件的材料进行日益精确的分析。

密歇根州立大学的物理学家在这方面迈出了期待已久的一步，他们采用了一种将高分辨率显微镜与超快激光器相结合的方法。

《自然-光子学》（Nature Photonics）杂志介绍了这项技术，它使研究人员能够以无与伦比的精度发现半导体中的错位原子。半导体物理学将这些原子称为"缺陷"，这听起来有些负面，但它们通常是有意添加到材料中的，对当今和未来设备中半导体的性能至关重要。

这项研究的负责人、杰里-考文实验物理学讲座教授泰勒-科克（Tyler Cocker）说："这对于具有纳米级结构的组件尤其重要。"

密歇根州立大学杰里-考恩实验物理学捐赠讲座教授泰勒-考克（左）与博士生斯蒂芬妮-亚当斯（Stefanie Adams）和穆罕默德-哈桑（Mohamed Hassan）在超快太赫兹纳米镜实验室。图片来源：Matt Davenport/密歇根州立大学自然科学学院

这包括计算机芯片等，它们通常使用具有纳米级特征的半导体。研究人员正致力于将纳米级结构发挥到极致，设计出只有一个原子厚度的材料。

科克说："这些纳米材料是半导体的未来，当拥有纳米级电子器件时，确保电子能以你想要的方式运动真的很重要"。他还领导着 MSU 物理与天文学系的超快太赫兹纳米光学实验室。

缺陷在电子运动中扮演着重要角色，这就是为什么像科克这样的科学家热衷于准确了解缺陷的位置及其行为方式。当科克的同行们得知他的团队的新技术可以让他们轻松获得这些信息时，都感到非常兴奋。

维德兰-耶利奇（Vedran Jelic）作为科克研究小组的博士后研究员率先开展了这一项目，他目前在加拿大国家研究理事会工作，是新报告的第一作者。研究小组成员还包括博士生 Stefanie Adams、Eve Ammerman 和 Mohamed Hassan，以及本科生研究员 Kaedon Cleland-Host。

科克补充说，只要有合适的设备，这种技术就可以直接实施，他的团队已经将其应用于石墨烯纳米带等原子级薄材料。

科克说："我们有许多开放项目，在这些项目中，我们用更多的材料和更奇特的材料来使用这种技术。我们把它融入到我们所做的一切工作中，并将其作为一种标准技术来使用"。

博士生穆罕默德-哈桑（Mohamed Hassan）和斯蒂芬妮-亚当斯（Stefanie Adams）检查光学台，以调整密歇根州立大学团队新技术中使用的激光。图片来源：Matt Davenport/密歇根州立大学自然科学学院

目前已经有一些工具，特别是扫描隧道显微镜（STM），可以帮助科学家发现单原子缺陷。

与许多人在高中科学课上认识的显微镜不同，STM 不使用透镜和灯泡来放大物体。相反，STM 使用原子般锋利的尖端扫描样品表面，就像唱片机上的触针一样。但 STM 的针尖并不接触样品表面，它只是足够靠近，以便电子在针尖和样品之间跃迁或隧穿。

STM 记录了电子跃迁的数量、跃迁的位置以及其他信息，从而提供有关样品的原子尺度信息（因此，科克的实验室将其称为纳米镜，而不是显微镜）。但是，仅凭 STM 数据并不总能清楚地分辨出样品中的缺陷，尤其是砷化镓，这是一种重要的半导体材料，可用于雷达系统、高效太阳能电池和现代电信设备。

在最新发表的论文中，Cocker 和他的团队重点研究了有意注入硅缺陷原子的砷化镓样品，以调整电子在半导体中的移动方式。

"对于电子来说，硅原子就像一个深坑，"科克说。尽管理论家们对这类缺陷的研究已有数十年之久，但实验学家们直到现在才能够直接探测到这些单原子。科克和他的团队的新技术仍然使用 STM，但研究人员还将激光脉冲直接照射到 STM 的尖端。

这些脉冲由太赫兹频率的光波组成，即每秒上下抖动一万亿次。最近，理论家们证明，这与硅原子缺陷在砷化镓样品中来回抖动的频率相同。

通过将 STM 和太赫兹光耦合在一起，MSU 团队创造出了一种探针，它对缺陷具有无与伦比的灵敏度。当 STM 针尖接触到砷化镓表面的硅缺陷时，研究小组的测量数据中突然出现了一个强烈的信号。当研究人员将针尖从缺陷处移开一个原子时，信号消失了。

科克说："这就是人们四十多年来一直在寻找的缺陷，我们可以看到它像钟一样敲响。"

他继续说："起初，我们很难相信，因为它太独特了。我们不得不对它进行全方位的测量，以确定它是真实存在的。"

然而，他们确信信号是真的以后，就很容易解释了，这要归功于多年来对这一主题的理论研究。

尽管科克的实验室处于这一领域的最前沿，但目前世界各地都有研究小组将 STM 与太赫兹光结合起来。除检测缺陷外，还有许多其他材料也可以从这项技术的应用中获益。

现在，他的团队已经与社区分享了自己的方法，科克很高兴看到还有其他发现在等待着他。

编译自/ScitechDaily