Nanotillverkning av elektroniska enheter har nått en enda nanometerskala (10 ^-9 m). Den snabba utvecklingen av nanovetenskap och nanoteknik kräver nu optisk spektroskopi i atomskala för att karakterisera atomistiska strukturer som kommer att påverka egenskaperna och funktionerna hos de elektroniska enheterna.

Det internationella teamet under ledning av Takashi Kumagai vid Institutet för molekylär vetenskap upptäckte en enorm förbättring av Raman-spridningen förmedlad av en formation av en atomär punktkontakt mellan en plasmonisk silverspets och en Si(111)-7×7 rekonstruerad yta. Detta uppnåddes med hjälp av toppmodern lågtemperaturspetsförstärkt Raman-spektroskopi som gör det möjligt att utföra vibrationsspektroskopi i atomskala.

Den upptäckta förbättringsmekanismen för Raman-spridning kommer att öppna möjligheten för ultrakänslig vibrationsspektroskopi i atomskala för att undersöka ytstrukturer hos halvledare. Dessutom, den utvecklade optiska mikroskopin i atomskala kommer att bana väg för att utforska ljus-materia-interaktioner i atomskala, leder till en ny disciplin inom ljusvetenskap och teknik.

Superintegration av elektroniska enheter har kommit in i en enda nanometerskala, efterlyser analytiska metoder som kan undersöka strukturer och defekter i atomär skala i detalj. Framstegen med skanning närfälts optisk mikroskopi har möjliggjort nanoskala avbildning och kemiska analyser i nanoskala. På senare tid, den rumsliga upplösningen av denna teknik visades nå atomär skala. Särskilt, spetsförstärkt Raman-spektroskopi har väckt ökad uppmärksamhet som ultrakänslig kemisk mikroskopi. Dock, för att erhålla en Raman-signal från halvledarytor, det var nödvändigt att ytterligare förstärka känsligheten.

Forskargruppen tillämpade toppmodern lågtemperaturspetsförbättrad Raman-spektroskopi, utvecklat i samarbete med Fritz-Haber Institute, för att erhålla vibrationsspektra från en kiselyta. Spetsförstärkt Raman-spektroskopi använder en stark ljus-materia-interaktion mellan ett material och ljus i nanoskala (lokaliserad ytplasmonresonans) som genereras vid en atomärt skarp metallisk spets. Forskargruppen upptäckte att en atomär punktkontaktbildning av en silverspets och en rekonstruerad Si(111)-7×7-yta leder till en enorm förbättring av Raman-spridningen. Figur la illustrerar experimentet. En skarp silverspets tillverkad av fokuserad jonstråle (figur 1b, toppen) flyttas mot kiselytan (figur 1b, botten), samtidigt som man övervakar Ramanspektra från korsningen. Figur 1c visar vattenfallsdiagrammet för de erhållna Raman-spektra, där den horisontella axeln Raman skiftar, och färgskalan Raman-intensiteten. När spetsen är i tunnlingsregimen, endast det optiska fononläget för bulkkiseln observeras vid 520 cm ^-1 . Dock, när atompunkten är i kontakt mellan spetsen och ytan, den starka Raman-spridningen från ytans fononlägen dyker plötsligt upp. Dessa lägen försvinner igen när spetsen flyttas bort från ytan och atompunktskontakten bryts.

Forskargruppen visade vidare att denna atomkontakt-ramanspektroskopi (APCRS) kan lösa kiselytans atomära strukturer. Som visas i figur 2, Ramanspektrumet är annorlunda när det registreras vid ett atomsteg på ytan. Vidare, de karakteristiska vibrationslägena kan observeras selektivt på den lokalt oxiderade platsen (figur 3), indikerar den kemiska känsligheten i atomär skala av Raman-spektroskopi med atomkontakt.

Man trodde tidigare att en plasmonisk nanogap är nödvändig för att erhålla den ultrahöga känsligheten i spetsförstärkt Raman-spektroskopi, vilket vanligtvis kräver ett metallsubstrat. Detta medförde en kraftig begränsning av mätbara prover. Upptäckten av den enorma Raman-förbättringen på atompunktens kontaktbildning kommer att utöka potentialen för vibrationsspektroskopi i atomskala, som är tillämpligt på icke-plasmoniska prover och den exceptionella kemiska känsligheten kommer att erhållas för många andra material. Dessutom, våra resultat tyder också på att strukturer i atomskala spelar en oumbärlig roll i metall-halvledarhybridnanosystem för att påverka deras optoelektroniska egenskaper.