Fig.1 (a) Schematisk illustration av mätinställningen. C60 tunnfilmsprov har en struktur som består av flera lager. (b) Ögonblicksbilder av elektrondynamik erhållen över området som visas i den nedre STM-bilden. Varje ögonblicksbild representerar fördelningen av fria elektroner vid 1, 3, 14, och 29 ps efter IR-pulsexciteringen. Längst ner är STM-bilden av mätområdet, och platsen som indikeras av den streckade linjen i STM-bilden visar stegen som bildas av de molekylära skikten. Röd (blå) färg representerar området med högre (lägre) elektrondensitet. Elektrondensiteten minskade på ovansidan av stegen när färgen ändras från rött till blått, medan elektroner stannade även vid 29 ps efter IR-exciteringen på undersidan eftersom färgen förblir röd. Kredit:University of Tsukuba
Ett team av forskare från fakulteten för rena och tillämpade vetenskaper vid universitetet i Tsukuba filmade elektronernas ultrasnabba rörelse med sub-nanoskala rumslig upplösning. Detta arbete ger ett kraftfullt verktyg för att studera driften av halvledarenheter, vilket kan leda till effektivare elektroniska apparater.
Möjligheten att konstruera allt mindre och snabbare smartphones och datorchips beror på halvledartillverkarnas förmåga att förstå hur elektronerna som bär information påverkas av defekter. Dock, dessa rörelser sker på skalan av biljondelar av en sekund, och de kan bara ses med ett mikroskop som kan avbilda enskilda atomer. Det kan tyckas vara en omöjlig uppgift, men detta är precis vad ett team av forskare vid universitetet i Tsukuba kunde åstadkomma.
Det experimentella systemet bestod av Buckminsterfulleren-kolmolekyler - som har en kuslig likhet med sydda fotbollar - arrangerade i en flerskiktsstruktur på ett guldsubstrat. Först, ett scanningstunnelmikroskop sattes upp för att fånga filmerna. För att observera elektronernas rörelse, en infraröd elektromagnetisk pumppuls applicerades för att injicera elektroner i provet. Sedan, efter en viss tidsfördröjning, en enda ultrasnabb terahertz-puls användes för att undersöka platsen för valen. Genom att öka tidsfördröjningen kunde nästa "bildruta" av filmen fångas. Denna nya kombination av skanningstunnelmikroskopi och ultrasnabba pulser gjorde det möjligt för teamet att för första gången uppnå rumslig upplösning i sub-nanoskala och nära picosecond-tidsupplösning. "Med vår metod, vi kunde tydligt se effekterna av ofullkomligheter, såsom en molekylär vakans eller orienteringsstörning, " förklarar första författare professor Shoji Yoshida. Att fånga varje bildruta tog bara cirka två minuter, vilket gör att resultaten kan reproduceras. Detta gör också tillvägagångssättet mer praktiskt som ett verktyg för halvledarindustrin.
"Vi förväntar oss att denna teknik kommer att leda vägen mot nästa generation av organisk elektronik, ", säger seniorförfattaren professor Hidemi Shigekawa. Genom att förstå effekterna av ofullkomligheter, några lediga platser, föroreningar, eller strukturella defekter kan avsiktligt införas i enheter för att kontrollera deras funktion.
Fig.2 Elektrondynamik kring en felorienterad molekylär defekt. (a) STM-bild och ögonblicksbilder erhållna över ett område inklusive defekten som indikeras av den vita pilen. Ögonblicksbilder visar tydligt att elektroner fortfarande var fångade i den enda ljusa defekten även 63 ps efter IR-pulsexcitering som visas i (b). Defekten verkar ljusare än de andra C60-molekylerna på grund av elektronfällan vid den enda molekylära platsen. Kredit:University of Tsukuba
