Hur lär man känna ett material som man inte kan se?

Det är en fråga som forskare studerar nanomaterial - objekt med egenskaper på submikrometerskala som kvantprickar, nanopartiklar och nanorör – försöker svara.

Även om nya upptäckter – inklusive en superupplösningsmikroskopi som vann Nobelpriset 2014 – avsevärt har förbättrat forskarnas förmåga att använda ljus för att lära sig om dessa småskaliga föremål, våglängden på den inspekterande strålningen är alltid mycket större än skalan på de nanoobjekt som studeras. Till exempel, nanorör och nanotrådar - byggstenarna i nästa generations elektroniska enheter - har diametrar som är hundratals gånger mindre än vad ljuset kunde lösa upp. Forskare måste hitta sätt att kringgå denna fysiska begränsning för att uppnå rumslig upplösning under våglängd och utforska arten av dessa material för framtida datorer.

I dag, en grupp forskare – John A. Rogers, Eric Seabron, Scott MacLaren och Xu Xie från University of Illinois i Urbana-Champaign; Slava V. Rotkin från Lehigh University; och, William L. Wilson från Harvard University – rapporterar om upptäckten av en viktig metod för att mäta egenskaperna hos nanorörsmaterial med hjälp av en mikrovågssond. Deras resultat har publicerats i ACS Nano i en artikel som heter:"Scanning Probe Microwave Reflectivity of Aligned Single-Walled Carbon Nanotubes:Imaging of Electronic Structure and Quantum Behavior at the Nanoscale."

Forskarna studerade enkelväggiga kolnanorör. Dessa är 1-dimensionella, trådliknande nanomaterial som har elektroniska egenskaper som gör dem till utmärkta kandidater för nästa generations elektronikteknik. Faktiskt, den första prototypen av en nanorörsdator har redan byggts av forskare vid Stanford University. IBM T.J. Watson Research Center utvecklar för närvarande nanorörstransistorer för kommersiellt bruk.

För denna studie, forskare odlade en serie parallella nanorörslinjer, liknande det sätt som nanorör kommer att användas i datorchips. Varje nanorör var cirka 1 nanometer brett – tio gånger mindre än förväntat för användning i nästa generations elektronik. För att utforska materialets egenskaper, de använde sedan mikrovågsimpedansmikroskopi (MIM) för att avbilda enskilda nanorör.

"Även om mikrovågsnära-fältsavbildning erbjuder ett extremt mångsidigt "icke-förstörande" verktyg för att karakterisera material, det är inte ett direkt självklart val, " förklarade Rotkin, en professor med dubbel utnämning vid Lehighs institution för fysik och institution för materialvetenskap och teknik. "Verkligen, våglängden på strålningen som användes i experimentet var ännu längre än vad som vanligtvis används i optisk mikroskopi - cirka 12 tum, vilket är cirka 100, 000, 000 gånger större än nanorören vi mätte."

Han tillade:"Nanoröret, I detta fall, är som en mycket ljus nål i en mycket stor höstack."

Avbildningsmetoden de utvecklade visar exakt var nanorören finns på kiselchippet. Mer viktigt, informationen som levererades av mikrovågssignalen från enskilda nanorör avslöjade vilka nanorör som var och inte kunde leda elektrisk ström. Oväntat, de kunde äntligen mäta nanorörets kvantkapacitans - en mycket unik egenskap hos ett objekt från nanovärlden - under dessa experimentella förhållanden.

"Vi började vårt samarbete för att försöka förstå bilderna tagna med mikrovågsmikroskopi och avslutade med att avslöja nanorörets kvantbeteende, som nu kan mätas med atomistisk upplösning, sa Rotkin.

Som ett inspektionsverktyg eller metrologiteknik, detta tillvägagångssätt kan ha en enorm inverkan på framtida teknik, möjliggör optimering av bearbetningsstrategier inklusive skalbar tillväxt av berikad nanorör, rening efter tillväxt, och tillverkning av bättre enhetskontakter. Man kan nu urskilja, i ett enkelt steg, mellan halvledarnanorör som är användbara för elektronik och metalliska som kan få en dator att gå sönder. Dessutom belyser denna uppsättning avbildningslägen dessa 1D-strukturers kvantegenskaper.