(Phys.org)—NIST:s förmåga att bestämma sammansättningen och fysiken hos material och enheter i nanoskala är på väg att förbättras dramatiskt med ankomsten av ett nytt mikrovågsmikroskop för nära fältet (NSMM).

Namnet kan vara en munfull, men NSMMs förtjänar varje stavelse. Få tekniker kan göra mätningar av likvärdig upplösning för ett så brett urval av prover, inklusive halvledare, halvledande nanotråd, material för solcellsapplikationer, magnetiska material, multiferroiska material, och även proteiner och DNA.

Forskare vid PML:s Electromagnetics Division, använda befintliga kommersiella och hemmagjorda NSMM, har banat väg för många applikationer, särskilt inklusive bestämning av halvledardopantfördelning (dvs. laddningsbärarkoncentrationer) i 2D och 3D. Den förmågan krävs av en mängd nya teknologier, som molekylär elektronik, kolnanorör, nanotrådar, grafen, och spinnbaserad elektronik. Det nya instrumentet förväntas påskynda dessa framsteg avsevärt.

"I grund och botten, vad vi gör är att använda den mycket fina rumsliga upplösningen för avsökningssondinstrument som avsökningstunnelmikroskop eller atomkraftmikroskop (AFM) och kombinera det med bredbandskompatibiliteten för mikrovågsmätningar, " säger Mitch Wallis från Radio-Frequency Electronics Group. "Vår motivation är att vi vill titta på saker som magnetisk resonans eller mekanisk resonans på nanoskala med hjälp av mikrovågor. Om du tittar på din mobiltelefon eller din dator, de arbetar alla inom intervallet några gigahertz. Så vi måste mäta objekten i nanoskala som utgör dessa enheter för att få en förståelse för hur de presterar vid dessa frekvenser. Annat, det kommer att bli mycket svårare att integrera dem i användbara kommersiella enheter."

I stora drag, en NSMM-uppställning består av ett atomkraftmikroskop kombinerat med en kontinuerlig eller pulsad mikrovågssignal som appliceras på AFM-spetsen. Spetsen skannar över provet i en mjuk kontakt eller på ett avstånd av några nanometer ovanför ytan, avger en mikrovågssignal som sprids av materialet, ändra dess frekvens, amplitud och andra egenskaper. Typen av den ändrade signalen som återgår till spetsen – som också fungerar som mottagningsantenn – beror kritiskt på variabler som permeabilitet, permittivitet, arkmotstånd, dielektrisk konstant, impedans, eller det sätt på vilket kapacitansen ändras med spänningen, som i sin tur bestäms av den fysiska sammansättningen av föremålet som undersöks.

"Genom att mäta den frekvensberoende spridda signalen, vi har, i själva verket, en annan ratt att vrida på, " säger veteranforskaren Pavel Kabos från Advanced High-Frequency Devices Program. "Och helt nyligen har vi kunnat undersöka lokala egenskaper hos prover i extremt små dimensioner, mycket nära singelmolekylnivån.

Detta är av stort intresse, till exempel, till mikrochipdesigners och tillverkare som behöver känna till dopningsprofilen runt en transistorgate eller source eller drain i ett dynamiskt slumpmässigt minneschip."

Rumslig information som registreras av skanningsspetsen slås samman med data från den återkommande mikrovågssignalen vid varje punkt i ett angivet område (vanligtvis några mikrometer i kvadrat) för att skapa en sammansatt bild. NSMMs kan ställas in för att producera bilder på djup som sträcker sig från submikrometer till 100 μm under ytan. "Så, till exempel, om du har ett tunt metallskikt ovanpå provet och ett piezoelektriskt material under, du kan se vad som händer med piezomaterialet genom plåten, säger Kabos.

Det kan tyckas kontraintuitivt att våglängder i storleksordningen en centimeter ner till några millimeter kan ge upplösning i nanometerskala. "Det är något av en paradox, " Kabos säger, "tills du tittar på dimensionerna. Den vassa AFM-spetsen är bara cirka 100 nanometer bred, och den är placerad bara några nanometer från ytan eller är i mjuk kontakt med provet. Det är spetshöjden som styr upplösningen. Spetsavståndet är så mycket mindre än signalvåglängden att "närfältseffekter" dominerar, tillåter upplösning i nanometer och mycket exakt, kvantitativa mätningar."

Forskarna kan ändra både spetsspänningen och mikrovågsfrekvensen för att undersöka olika aspekter av provet. Till exempel, i en tidning från 2012, Atif Imtiaz och PML-kollegor, tillsammans med forskare vid instrumenttillverkaren Agilent Technologies, Inc., visade hur en förändring av spetsförspänningen avslöjar den lokala bärardensiteten i en halvledare, och följaktligen dopningsprofilen för en region. "Beroende på tecknet på den applicerade förspänningen mot spetsen, laddningsbärarna i halvledaren attraheras eller utarmas från ytan, bildar ett rymdladdningsområde, " skriver författarna.

Eftersom bredden på det området också är en funktion av bärardensiteten, det ger ett känsligt mått på dopämnessammansättningen. "Väldigt nyligen, " Kabos säger, "vi har kunnat titta in i ett 3 mikrometer brett område och se hur dopningen fördelar sig vid P-N-korsningen, samt lokalisera korsningen exakt."

Alternativt att ändra mikrovågsfrekvensen avslöjar andra egenskaper. "Samma material kan se väldigt olika ut vid 5, 7, eller 18 GHz, " säger Kabos. "Så vi kan inte bara fastställa dopingprofilen lokalt, men titta också på prestanda för en given frekvens i en viss region."

Den nya enheten, planerad för en höstankomst, kommer att ge många nya funktioner. De befintliga instrumenten har en enda spets som är öppen mot luften. Den nya NSMM har fyra tips, möjliggör samtidiga jämförelser av material, och den är innesluten i en ultrahög vakuumkammare för att minimera signalinterferens och provkontamination. Den har också en vakuumprovberedningskammare och temperaturkontroll från cirka 30 K till rumstemperatur.

Bland andra användningsområden, det nya instrumentet kommer att tillåta forskarna att i mycket större detalj utforska de egenskaper som påverkar lämpligheten hos olika material, arbetar vid mikrovågsfrekvenser, för användning i nanoskala elektronik och bioelektronik, såväl som framväxande teknologier för spintronic eller phasetronic applikationer i enkel- och flerskiktskonfigurationer.

Framtida forskning kommer att ta upp flera viktiga områden. En är möjlig utveckling av referensmaterial. Denna ansträngning kommer att innebära skapandet av pålitliga, kvantitativa modeller för att uppskatta lokala egenskaper hos material och anordningar. Ett annat område handlar om att jämföra och analysera förändringar till följd av olika variabler, kombinerar både spänningsberoende och frekvensberoende spektroskopi. Det finns ett stort intresse, till exempel, vid mätning av derivatan av fasen mellan infallande och den reflekterade signalen från spets-till-provlasten, samt den för närvarande uppmätta derivatan av kapacitans som funktion av spänning. Det arbetet skulle kunna ge betydande förbättringar av signal-brusförhållandet, förbättra känsligheten för vattenkoncentrationer i biologiska prover och potentiellt möjliggöra avbildning av levande biologiska celler i saltlösning. Till sist, det finns planer på att ta fram två- och flersonds NSMM-konfigurationer som kan mäta komplexa mikrovågsmultiportsspridningsmatriselement för bredbandstransportstudier av system som högfrekvent spintronik och kolbaserad nanoelektronik.