Trots anmärkningsvärda framsteg inom vetenskap och teknik har snabba framsteg avslöjat begränsningar inom många tekniska områden. En akut utmaning inom halvledarenheter, som stöder ultrahöghastighetskommunikation och artificiell intelligens (AI), är utvecklingen av högpresterande enheter med en grundläggande struktur på 2 nanometer (nm).

I denna skala påverkar strukturer med enatomsdefekter och mindre elektronbeteendestörningar avsevärt makroskopiska fenomen, vilket spelar en avgörande roll för enhetens funktionalitet. Därför är förståelse och kontroll av fysikaliska och kemiska höghastighetsfenomen på nanometerskala avgörande för att utveckla högpresterande enheter.

Forskargruppen har tidigare utvecklat en tidsupplöst scanning tunneling microscopy (STM) metod, som kombinerar STM med laserteknologi, för att uppnå rumslig upplösning på nanonivå och femtosekund tidsupplösning. Denna metod har varit avgörande för att belysa olika fotoexciterade dynamik. STM:s beroende av elektriskt strömflöde mellan sonden och provet begränsar emellertid dess tillämpning till ledande material.

I deras studie, publicerad i Applied Physics Express , har teamet utvecklat ett nytt tidslöst AFM-system, vilket förbättrar dess funktionalitet genom att slå samman AFM med deras unika ultrakorta laserpulsteknologi. Denna utveckling möjliggör mätning av höghastighetsdynamik i ett bredare utbud av material, inklusive isolatorer, med nanometerupplösning.

Ett unikt tillvägagångssätt för att motverka den termiska expansionen av sonden och provet på grund av laserbestrålning har möjliggjort förvärvet av tidsupplösta signaler med ett exceptionellt högt signal-brusförhållande (SN). Dessutom är laseroscillation elektriskt styrd för att förbättra funktionaliteten.

AFMs förmåga att mäta ett brett spektrum av objekt positionerar den teknologi som utvecklats i denna forskning för att ha omfattande tillämpningar, som sträcker sig bortom akademisk forskning till industrier, medicin och andra områden. Det förväntas underlätta upptäckten av nya principer och uppkomsten av nya fält genom att avsevärt bredda utforskningsområdet.

Mer information: Hiroyuki Mogi et al, Tidsupplöst kraftmikroskopi med användning av fördröjningstidsmoduleringsmetoden, Applied Physics Express (2023). DOI:10.35848/1882-0786/ad0c04

Tillhandahålls av University of Tsukuba