University of Colorado Boulder forskare har använt ultrasnabba extrema ultravioletta lasrar för att mäta egenskaperna hos material som är mer än 100 gånger tunnare än en mänsklig röda blodkropp.

Laget, ledd av forskare vid JILA, rapporterade sin nya bragd av oblat-tunnhet denna vecka i tidningen Material för fysisk granskning . Gruppens mål, en film bara 5 nanometer tjock, är det tunnaste materialet som forskare någonsin har kunnat undersöka helt, sa studiemedförfattare Joshua Knobloch.

"Det här är en rekordstor studie för att se hur små vi kan bli och hur noggranna vi kan vara, sade Knobloch, en doktorand vid JILA, ett partnerskap mellan CU Boulder och National Institute of Standards and Technology (NIST).

Han tillade att när saker och ting blir små, de normala reglerna för teknik gäller inte alltid. Gruppen upptäckte, till exempel, att vissa material verkar bli mycket mjukare ju tunnare de blir.

Forskarna hoppas att deras resultat en dag kan hjälpa forskare att bättre navigera i den ofta oförutsägbara nanovärlden, designa mindre och effektivare datorkretsar, halvledare och annan teknik.

"Om du håller på med nanoteknik, du kan inte bara behandla ditt material som om det är ett vanligt stort material, " sa Travis Frazer, huvudförfattare till den nya tidningen och en före detta doktorand vid JILA. "På grund av det enkla faktum att det är litet, det beter sig som ett annat material."

"Denna överraskande upptäckt - att mycket tunna material kan vara 10 gånger tunnare än förväntat - är ännu ett exempel på hur nya verktyg kan hjälpa oss att förstå nanovärlden bättre, sa Margaret Murnane, en medförfattare till den nya forskningen, professor i fysik vid CU Boulder och JILA-stipendiat.

Nano vickar

Forskningen kommer vid en tidpunkt då många teknikföretag försöker göra just det:gå små. Vissa företag experimenterar med sätt att bygga effektiva datorchips som skiktar tunna filmer av material ovanpå varandra – som en filobakelse, men inuti din bärbara dator.

Problemet med det tillvägagångssättet, Frazer sa, är att forskare har problem med att förutsäga hur dessa fläckiga lager kommer att bete sig. De är alldeles för känsliga för att mäta på något meningsfullt sätt med de vanliga verktygen.

För att hjälpa till med det målet, han och hans kollegor använde extrema ultravioletta lasrar, eller strålar av strålning som levererar kortare våglängder än traditionella lasrar – våglängder som är väl anpassade till nanovärlden. Forskarna utvecklade en uppsättning som gör att de kan studsa strålarna från lager av material bara några få DNA-strängar tjocka, spåra de olika sätten som dessa filmer kan vibrera.

"Om du kan mäta hur snabbt ditt material vickar, då kan du ta reda på hur stel den är, sa Frazer.

Atomstörning

Metoden har också avslöjat hur mycket egenskaperna hos material kan förändras när man gör dem mycket, väldigt liten.

I den senaste studien, till exempel, forskarna undersökte den relativa styrkan hos två filmer gjorda av kiselkarbid:en ca 46 nanometer tjock, och den andra bara 5 nanometer tjock. Teamets ultravioletta laser levererade överraskande resultat. Den tunnare filmen var cirka 10 gånger mjukare, eller mindre stel, än sin tjockare motsvarighet, något forskarna inte förväntade sig.

Frazer förklarade att om du gör en film för tunn, du kan skära in i atombindningarna som håller ihop ett material – lite som att riva upp ett slitet rep.

"Atomerna längst upp i filmen har andra atomer under sig som de kan hålla fast vid, " Sa Frazer. "Men ovanför dem, atomerna har inget de kan ta tag i."

Men inte alla material kommer att bete sig på samma sätt, han lade till. Teamet körde också samma experiment på ett andra material som var nästan identiskt med det första med en stor skillnad – det här hade mycket fler väteatomer tillsatta. En sådan "dopningsprocess" kan naturligt störa atombindningarna i ett material, gör att den tappar styrka.

När gruppen testade den sekunden, tunnare material med sina lasrar, de hittade något nytt:detta material var lika starkt när det var 44 nanometer tjockt som det var på ynka 11 nanometer tjockt.

uttryckt annorlunda, de ytterligare väteatomerna hade redan försvagat materialet – lite extra krympning kunde inte göra längre skada.

I slutet, teamet säger att dess nya ultravioletta laserverktyg ger forskare ett fönster in i en värld som tidigare var bortom vetenskapens grepp.

"Nu när folk bygger väldigt, mycket små enheter, de frågar hur egenskaper som tjocklek eller form kan förändra hur deras material beter sig, "Detta ger oss ett nytt sätt att få tillgång till information om nanoskalateknologi."

Denna forskning stöddes av STROBE National Science Foundation Science and Technology Center för funktionell bildbehandling i realtid.