Oavsett storleken på mobiltelefoner eller datorer är, sättet på vilket sådana elektroniska enheter fungerar beror på samspelet mellan material. Av denna anledning, ingenjörer såväl som forskare behöver veta exakt hur specifika kemiska element inuti ett datorchip eller en transistordiod fungerar, och vad händer när dessa element binder. Fysiker vid Friedrich Schiller University Jena, Tyskland, har nu utvecklat en innovativ metod som gör det möjligt för dem att få flera olika typer av information samtidigt från insidan av ett nanoskala byggblock - och detta medan det är i aktivt tillstånd. Forskarna från Jena och deras partners har rapporterat sina resultat i det aktuella numret av specialistjournalen Vetenskapliga framsteg .

"Med hjälp av vår metod, vi kan få information samtidigt om elementens sammansättning - fraktionen mellan elementen; om deras oxidationsklass, vilket betyder deras valens tillstånd eller bindningens art; och slutligen, om interna elektriska fält som sålunda har skapats, "förklarar professor Dr Carsten Ronning vid University of Jena." Dessa är alla elementära indikatorer för komponentens funktion, "tillägger Ronning, som leder projektet. Dock, i proceduren som utvecklats av fysikerna, de undersökta komponenterna behöver inte förberedas noggrant eller eventuellt till och med förstöras. "I princip, vi kan röntga dioderna på en mobiltelefon medan den är påslagen, utan att skada den, säger Ronning.

Röntgenstråle från partikelacceleratorn

Ett avgörande inslag i forskningssättet är en mycket fint fokuserad röntgenstråle, med vilken Jena-fysikerna inledningsvis röntgade en enhet speciellt gjord för deras experiment. "Vi införde arsenik- och galliumatomer i en kiseltråd runt 200 nanometer tjock. Vid uppvärmning, dessa atomer agglomerera vid ett tillfälle, det vill säga, de samlas ihop, som producerar en funktionell komponent, "förklarar prof. Ronning." Vi körde sedan en 50-nanometer bred röntgenstråle längs tråden, så utstrålar det bit för bit. "

Forskarna konstaterade att denna arrangemangsblandning av material, liknar en solcell, omvandlade röntgenstrålarna till elektrisk ström, som bara flödade i en riktning, som i en diod. På det här sättet, forskarna gjorde de väsentliga inre elektriska fälten synliga. Dessutom, komponenten avgav ljus. "Röntgenstrålarna upphetsar atomerna i byggstenen, som avger en karakteristisk strålning, "förklarar Dr Andreas Johannes, som genomförde experimenten. "På det här sättet, vi får ett spektrum, som ger oss värdefull information om de enskilda elementen som finns och deras relativa förhållanden. "Om röntgenstrålarnas energi ändras, så kallade röntgenabsorptionsspektra produceras som gör det möjligt för forskare att göra påståenden om elementens oxidationskvalitet-och i förlängning, om själva bindningarna.

"Nu, det är möjligt att få alla dessa typer av information genom en mätning med hjälp av vår metod, "säger Andreas Johannes. Även om jämförbara resultat är möjliga med hjälp av elektronmikroskopi, i dessa fall, enheterna måste förberedas speciellt och eventuellt förstöras, eftersom penetrationsdjupet för elektronstrålen är väsentligt mer begränsat. Dessutom, sådana mätningar kan bara ske i ett vakuum, medan röntgenmetoden är praktiskt taget oberoende av någon specifik miljö.

Tills nu, sådana smala röntgenstrålar kunde endast genereras av partikelacceleratorer, varför fysikerna vid Jena -universitetet har arbetat nära tillsammans med European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Grenoble, Frankrike, att utveckla den nya mätmetoden. Dessa faciliteter är tillgängliga för både vetenskapliga forskare och industrin för att röntga befintliga komponenter med större precision, och över allt, att testa nya materialkombinationer för att skapa bättre prestandakomponenter. "Till exempel, vår metod kan vara av värde för att utveckla nya batterier, "säger Andreas Johannes." Eftersom forskare också skulle vilja undersöka dessa, särskilt under användning och fullt fungerande, till exempel för att bestämma oxidationsgraderna för elementen. "