En enda GaN nanotråd tas bort från en "skog" av trådar som odlats av molekylär strålepitaxi. Klicka på bilden för en förstoring som visar nanotråden placerad i ett hål borrat i en AFM-sond. Båda bilderna är falskfärgade för tydlighetens skull.
(Phys.org) — Som svar på förfrågningar från halvledarindustrin, ett team av PML-forskare har visat att atomkraftmikroskopspetsar (AFM) gjorda av dess nästan perfekta galliumnitrid nanotrådar är överlägsna i många avseenden standardkisel- eller platinaspetsar i mätningar av avgörande betydelse för tillverkning av mikrochips, nanobioteknik, och andra ansträngningar.
Dessutom, forskarna har uppfunnit ett sätt att samtidigt använda nanotrådsspetsarna som lysdioder för att belysa ett litet provområde med optisk strålning medan den skannar, lägga till en helt ny dimension till karaktäriseringen av nanoelektronikmaterial och -enheter.
Av sig själv, en AFM tillhandahåller topografisk information med nanometerupplösning när dess sondspets – i intervallet 100 nm bred och upphängd från en utkragande arm – skannar över en provyta. När spetsen används samtidigt för att kontinuerligt sända och ta emot en mikrovågssignal, systemet blir kapabelt att avslöja laddningsbärarkoncentrationer eller defektplatser i specifika områden av material och enheter i nanoskala.
Den tekniken, kallas närfältsskanning mikrovågsmikroskopi (NSMM), hade aldrig tidigare försökt med en nanotrådsond. Men som teamet visade i en ny artikel i Applied Physics Letters, nanotrådsspetsar överträffade avsevärt kommersiella Pt-spetsar i både upplösning och hållbarhet.
"En stor fråga för platinasonder, säger Kris Bertness, Projektledare för metrologi och syntes av 3D-nanostrukturer inom kvantelektronik- och fotonikdivisionen, "är att om du deformerar dem ens lite, och deras form förändras, din kalibrering är förlorad. Eftersom de är kapacitivt kopplade till provet, form är allt.
"Däremot våra nanotrådsspetsar har en kalibreringslivslängd som är cirka 10 gånger längre än någon kommersiell spets. Vi ser inget synligt slitage efter att ha utfört tiotals skanningar, medan platina deformeras, förlorar upplösning och kalibrering, efter fem till tio skanningar." I en serie på 12 skanningar, Pt-spetsradien ändrades från ~50 nm till ~150 nm. Nanotråden, dock, behållit sina ursprungliga mått. Dessutom, GaN-spetsarna uppvisade förbättrad känslighet och minskad osäkerhet jämfört med en kommersiell Pt-spets.
Att belysa ett NSMM-prov med en konventionell laser bringar ljus in i en vinkel och ökar avsevärt utrymmet som upptas av apparater.
NSMM kan producera mycket detaljerad avbildning av den lokala tätheten av positiva och negativa laddningsbärare inuti en nanostruktur – information av stor praktisk betydelse för mikroenhetstillverkare – och forskare från PML:s Electromagnetics Division har gjort betydande framsteg i tekniken. De tror att användningen av nanotrådssonder, i samband med att en helt ny, specialbyggda, fyra-probs NSMM-instrument, kommer att avslöja nya aspekter av nanostrukturens sammansättning och prestanda. I biologiska material, det kan lokalisera vidhäftningen av kemiska medel eller partiklar som är bundna till en cell, och hjälp i studiet av proteindynamik.
Att använda en nanotråd som en sondspets låter bedrägligt enkelt. Forskarna skaffar en konventionell AFM konsol och sond, ta bort den befintliga spetsen, och använd en anordning som kallas en fokuserad jonstråle för att borra ett hål cirka 5 mikrometer djupt i spetsfästet. Sedan, med en liten manipulator, de bryter av en enda nanotråd från en "skog" av dem odlad av molekylär strålepitaxi, för in tråden i hålet, och svetsa den på plats. Till sist, tråden är belagd med tunna lager av titan (20 nm) och aluminium (200 nm) för att leda mikrovågssignalen hela vägen till änden av spetsen och bakåt.
Forskarna testade sin spets mot en silikonspets, en platinaspets, och en obelagd GaN nanotråd, var och en skannades över en rad mikrokondensatorer av olika storlekar. Den belagda nanotråden visade sig vara ungefär dubbelt så känslig som Pt-sonden, och fyra gånger så känslig som de andra, med överlägsen mekanisk prestanda. "Det kan vara oerhört viktigt för att karakterisera nästa generation av avancerade elektroniska och optoelektroniska enheter, " säger Bertness. För närvarande kan bara ett fåtal GaN-sonder göras på en gång, men teamet arbetar med att utveckla idéer för att producera dem i wafer-skala kvantiteter.
På samma gång, forskarna förbereder sig för att testa en ny teknik som de fick patent på i juli, 2013:Använder nanotrådsspetsen som ljuskälla genom att dopa den så att den fungerar som en LED. Optisk strålning kan tjäna till att excitera provet på ett annat sätt än mikrovågssignalen, och forskare använder redan lasrar för att belysa prover i nanoskala under AFM-skanningar.
"Problemet med det tillvägagångssättet, " säger veteranen NSMM-forskaren Pavel Kabos från Advanced High-Frequency Devices Program i PML:s Electromagnetics Division, "är att lasern måste lysa in från sidan. Som ett resultat, du får kastade skuggor och betydande osäkerhet om exakt vilket område som belyses. Och, självklart, lasern och dess montering tar mycket plats.
"Med den nya designen, belysningen kommer att appliceras direkt över sondspetsen på samma plats på provet som exponeras för mikrovågssignalen. Det kan vara särskilt fördelaktigt för att karakterisera fotovoltaiska material där du kan applicera ett ljus och få bärarkoncentrationen samtidigt. Hela enheten kan vara mycket mindre, och ljuskällan i nanoskala gör att du kan injicera vissa bärare mycket lokalt, på ett sätt som du inte kan göra med andra metoder."För att undersöka nästa generation av solcellsmaterial, Bertness säger, "vi har använt översvämningsbelysning. Men det vi vill se är hur enskilda korn reagerar på ljus. LED-tekniken kan göra det möjligt. I biologiska tillämpningar, vi förväntar oss att det kommer att ge en förbättring av förmågan att undersöka processer som proteindynamik."
Den nya, fyrsonds NSMM-instrument har fyra spetsar, möjliggör samtidiga jämförelser av material. Sonderna är inneslutna i en ultrahög vakuumkammare för att minimera interferens och kontaminering.
För att nå det målet kommer det att krävas mer forskning om hur man dopar GaN nanotrådarna för att öka effektiviteten av ljuseffekten, och hur man koordinerar och integrerar mätningar från topografiska, mikrovågsugn, och optiska modaliteter.
Men Bertness är optimistisk. "Det tog tio års hårt arbete att lära sig att tillverka och karakterisera dessa material, och vi utvecklade många viktiga mättekniker längs vägen. Men vi kunde verkligen inte testa nanotrådar som sondtips förrän för några månader sedan när Boulder-labbets Precision Imaging Facility fick en fokuserad jonstråle. Dessa första resultat ger oss förtroende för att denna teknik kommer att påverka ett brett spektrum av vetenskapliga och tekniska problem där det är avgörande att känna till materialens egenskaper på mikrometer- och nanometerskala, från halvledarelektronik till biokemi och medicin."
