激光精密揭示單原子半導(dǎo)體的秘密主題：成像

結(jié)合掃描隧道顯微鏡與超快激光

物理學(xué)家開發(fā)了一種突破性技術(shù)，利用高分辨率顯微鏡和超快激光精確識(shí)別半導(dǎo)體中的缺陷。

這種新方法在納米級組件中特別有效，使得觀察原子缺陷周圍電子運(yùn)動(dòng)的細(xì)節(jié)前所未有地清晰，大大推動(dòng)了半導(dǎo)體物理領(lǐng)域的發(fā)展，并為像石墨烯這樣的材料帶來了新的可能性。

先進(jìn)的半導(dǎo)體分析

將越來越智能和強(qiáng)大的電子設(shè)備裝入不斷縮小的設(shè)備中的一個(gè)挑戰(zhàn)是開發(fā)能夠以越來越精細(xì)的精度分析其組成材料的工具和技術(shù)。

密歇根州立大學(xué)的物理學(xué)家在這方面邁出了期待已久的一步，他們采用了一種結(jié)合高分辨率顯微鏡和超快激光的方法。

這種技術(shù)在《自然光子學(xué)》雜志上進(jìn)行了描述，使研究人員能夠以無與倫比的精度發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體中的錯(cuò)配原子。半導(dǎo)體物理學(xué)將這些原子稱為“缺陷”，這個(gè)詞聽起來很負(fù)面，但實(shí)際上這些原子通常是有意添加到材料中的，對于今天及未來設(shè)備中半導(dǎo)體的性能至關(guān)重要。

“這對于具有納米級結(jié)構(gòu)的組件尤為重要，”新研究的領(lǐng)導(dǎo)者、實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的Jerry Cowen講席教授Tyler Cocker說。

密歇根州立大學(xué)的超快太赫茲納米顯微鏡實(shí)驗(yàn)室

納米級材料的進(jìn)展

這包括像計(jì)算機(jī)芯片這樣的東西，這些芯片經(jīng)常使用具有納米級特征的半導(dǎo)體。研究人員正在努力將納米級架構(gòu)推向極限，工程材料厚度僅為一個(gè)原子。

“這些納米級材料是半導(dǎo)體的未來，”同時(shí)領(lǐng)導(dǎo)密歇根州立大學(xué)物理與天文學(xué)系超快太赫茲納米顯微鏡實(shí)驗(yàn)室的Cocker說?！爱?dāng)你擁有納米級電子設(shè)備時(shí)，確保電子能夠按照你的意愿移動(dòng)非常重要?！?/p>

缺陷在電子運(yùn)動(dòng)中起著重要作用，這就是為什么像Cocker這樣的科學(xué)家急于精確了解它們的位置和行為。Cocker的同行們對他團(tuán)隊(duì)的新技術(shù)感到興奮，因?yàn)樗茏屗麄冚p松獲取這些信息。

“我的一個(gè)同事說，‘我希望你們出去慶祝了，’”Cocker說。

Vedran Jelic是這項(xiàng)研究的第一作者，他在Cocker的團(tuán)隊(duì)中擔(dān)任博士后研究員，現(xiàn)在在加拿大國家研究委員會(huì)工作。研究團(tuán)隊(duì)還包括博士生Stefanie Adams、Eve Ammerman和Mohamed Hassan，以及本科生研究員Kaedon Cleland-Host。

Cocker補(bǔ)充說，這項(xiàng)技術(shù)在有合適設(shè)備的情況下很容易實(shí)施，他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在將其應(yīng)用于像石墨烯納米帶這樣的原子薄材料。

“我們有許多開放項(xiàng)目，使用這種技術(shù)與更多材料和更奇特的材料進(jìn)行合作，”Cocker說?！拔覀兓旧蠈⑵浼{入我們所做的一切，并將其作為標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)使用。”

創(chuàng)新的顯微技術(shù)

目前已有工具，特別是掃描隧道顯微鏡（STM），可以幫助科學(xué)家發(fā)現(xiàn)單原子缺陷。

與許多人在高中科學(xué)課上認(rèn)識(shí)的顯微鏡不同，STM不使用透鏡和燈泡來放大物體。相反，STM使用原子級尖端掃描樣品表面，幾乎就像唱片播放器上的唱針一樣。

但STM探針并不接觸樣品表面，它只是靠得足夠近，以至于電子可以在探針和樣品之間跳躍或隧穿。

STM記錄跳躍的電子數(shù)量及其來源等信息，以提供樣品的原子級信息（因此Cocker的實(shí)驗(yàn)室稱其為納米顯微技術(shù)而不是顯微技術(shù)）。

但STM數(shù)據(jù)本身并不足以清晰地解析樣品中的缺陷，特別是在砷化鎵這種重要的半導(dǎo)體材料中，這種材料存在于雷達(dá)系統(tǒng)、高效太陽能電池和現(xiàn)代電信設(shè)備中。

在他們的最新出版物中，Cocker和他的團(tuán)隊(duì)專注于含有故意注入硅缺陷原子的砷化鎵樣品，以調(diào)節(jié)電子在半導(dǎo)體中的移動(dòng)方式。

缺陷的發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證

“硅原子對電子來說基本上看起來像一個(gè)深坑，”Cocker說。

盡管理論家們已經(jīng)研究這種缺陷幾十年，但實(shí)驗(yàn)人員直到現(xiàn)在還無法直接檢測到這些單個(gè)原子。

Cocker和他的團(tuán)隊(duì)的新技術(shù)仍然使用STM，但研究人員還在STM探針上照射激光脈沖。

這些脈沖由太赫茲頻率的光波組成，這意味著它們每秒抖動(dòng)一萬億次。最近，理論家們已經(jīng)表明，這與硅原子缺陷在砷化鎵樣品中的抖動(dòng)頻率相同。

通過將STM和太赫茲光結(jié)合，密歇根州立大學(xué)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)對缺陷具有無與倫比靈敏度的探測器。

當(dāng)STM探針接觸到砷化鎵表面上的硅缺陷時(shí)，測量數(shù)據(jù)中出現(xiàn)了突然的強(qiáng)烈信號(hào)。當(dāng)研究人員將探針移動(dòng)到離缺陷一個(gè)原子的位置時(shí)，信號(hào)消失了。

“這是人們尋找了四十多年的缺陷，我們能看到它像鐘一樣響起，”Cocker說。

理論和實(shí)際成就

“起初很難相信，因?yàn)樗黠@了，”他繼續(xù)說道?！拔覀儾坏貌灰愿鞣N方式測量它，以確定這是真的?！?/p>

一旦他們確信信號(hào)是真的，解釋起來就很容易了，因?yàn)橐呀?jīng)有幾十年的理論研究對其進(jìn)行了詳細(xì)描述。

“當(dāng)你發(fā)現(xiàn)這樣的東西時(shí)，已經(jīng)有幾十年的理論研究對其進(jìn)行了徹底的描述，這真的很有幫助，”Jelic說，他與Cocker一樣也是新論文的通訊作者。

盡管Cocker的實(shí)驗(yàn)室在這一領(lǐng)域處于前沿，但世界各地的研究小組目前也在結(jié)合STM和太赫茲光。還有各種其他材料可以從這種技術(shù)中受益，應(yīng)用范圍超出了檢測缺陷的范疇。

現(xiàn)在他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)與社區(qū)分享了這種方法，Cocker對其他發(fā)現(xiàn)充滿期待。