深紫外激光显微镜揭示金刚石的纳米尺度输运行为

与硅等传统材料相比，超宽带隙半导体（如金刚石）在价带和导带之间具有更大的能隙，使其能够处理更高的电压，在更高的频率下工作，并提供更高的效率，因此有望用于下一代电子产品

然而，它们独特的性质使得探索和理解电荷和热量如何在纳米到微米的尺度上移动变得具有挑战性。可见光探测纳米级特性的能力非常有限，而且它不会被钻石吸收，因此不能用于发射电流或快速加热

现在，由JILA研究员和科罗拉多大学物理学教授Margaret Murnane和Henry Kapteyn领导的JILA研究人员，以及研究生Emma Nelson、Theodore Culman、Brendan McBennett和前JILA博士后研究员Albert Beardo和Joshua Knobloch开发了一种新型显微镜，使以前所未有的规模检查这些材料成为可能

该团队的工作发表在《应用物理评论》上，介绍了一种台式深紫外（DUV）激光器，可以激发和探测金刚石等材料的纳米级输运行为

这种显微镜使用高能DUV激光在材料表面上创建纳米级干涉图案，以受控的周期性图案加热

观察这种模式如何随着时间的推移而褪色，可以在287纳米的空间分辨率下深入了解电子、热和机械性能，远低于可见光的波长

Murnane表示，这种新的探针能力对于未来的电力电子、高频通信和基于金刚石或氮化物而非硅的计算设备非常重要。只有了解材料的行为，科学家才能解决许多采用超宽带隙材料的纳米器件中观察到的寿命短的挑战

来自行业合作伙伴的挑战

对于Nelson和其他JILA研究人员来说，这个项目始于他们的行业合作伙伴之一3M的材料科学家的意外挑战

Nelson说：“3M找到我们，研究一种与我们现有显微镜不兼容的超宽材料样品。”。然后，该团队与3M科学家Matthew Frey和Matthew Atkinson合作，构建了一种可以对这种材料中的传输进行成像的显微镜

传统的成像方法依靠可见光来观察半导体和其他材料的微观组成和输运行为，这对于研究带隙较小的材料非常有效

然而，通常用于电子元件的金刚石等材料，其价带和导带之间的能隙要大得多，通常超过4电子伏（eV），使其对较低能量的可见光和红外光透明。需要紫外线（UV）范围或更高能量的光子与这些材料中的电子相互作用并激发电子

可见光装置也难以获得空间分辨率，因为它们的较长波长限制了探测与现代设备相关的纳米尺度的能力

这些限制激发了团队对成像设置的跳出框框思考

Nelson说：“我们集思广益，进行了一项新实验，以扩大我们实验室的研究范围。”

结果是多年来开发了一种紧凑型显微镜，该显微镜使用DUV光在材料表面产生纳米级热图案，而不会改变材料本身

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为了产生DUV光，研究小组首先用波长为800纳米的激光发射脉冲。然后，通过将激光穿过非线性晶体并操纵其能量，该团队将其逐步转换为越来越短的波长，最终产生波长约为200纳米的强大深紫外光源

每一步都需要在晶体内精确对准激光脉冲的空间和时间，以有效地达到所需的波长

Nelson说：“在疫情期间，这项实验花了几年时间才奏效。”他描述了通过三个连续晶体排列光线的试错过程。“但是一旦我们完成了设置，我们就可以在桌面上创建前所未有的规模的图案。”

为了产生周期性图案，称为瞬态光栅，研究人员使用衍射光栅将DUV光分成两个相同的光束

这些光束以略微不同的角度照射到材料表面，在那里它们相互重叠和干涉，形成高能量和低能量交替的精确正弦图案。这种干涉图案起到了纳米级“光栅”的作用，以可控的方式暂时加热材料并产生局部能量变化

这一过程使团队能够研究热量、电子或机械波（取决于材料）如何在纳米级光栅上传播和相互作用。光栅的周期性定义了这些高能峰之间的距离，与光源的波长密切相关，使研究人员能够通过使用更高能量（和更短波长）的光来获得更短的周期

可以通过调整光束的角度来调整周期性，从而可以在微观尺度上对输运现象进行详细研究。例如，在这个实验中，该团队实现了高达287纳米的光栅图案，这是激光桌面设置的记录

测试新的DUV显微镜

一旦DUV瞬态光栅系统投入运行，团队就专注于验证其准确性并探索其能力。他们的第一次测试涉及薄金膜，由于其易于理解的特性，它被用作基准材料

研究人员利用他们的系统产生纳米级的热图案，在薄膜表面发射声波。通过分析这些波的频率和行为，他们提取了密度和弹性等材料特性

为了证实他们的结果，Nelson开发了计算机模型，模拟金膜在类似条件下的行为。实验数据与她的预测非常吻合，有力地验证了该系统的准确性

Nelson说：“看到实验成功并与我们创建的模型保持一致，这是一种解脱，也是一个令人兴奋的里程碑。”

接下来，该团队使用他们的新型DUV显微镜观察钻石，这是一种因其卓越的电子和热性能而备受珍视的材料。以前研究钻石的技术通常需要物理改变，例如添加纳米结构或涂层，这会无意中改变其性质。DUV系统消除了这种需求，使团队能够研究原始状态的钻石

使用他们的新装置，研究人员观察了电荷载流子——电子和空穴——在被DUV光激发后如何在钻石上扩散。这一过程揭示了钻石纳米级输运动力学的新见解，特别是在纳米尺度上

除了验证系统和探索钻石的性质外，该团队的发现还揭示了纳米级热传输的更广泛问题。在如此小的尺度下，热量并不总是像传统物理模型预测的那样表现，传统物理模型假设热量是平稳、连续的流动

相反，纳米尺度的传输可能涉及弹道和流体动力学效应，其中声子等能量载体可以沿直线传播而不会散射，也可以像水流过通道一样传播

随着研究人员不断完善这些技术并探索新材料，这一进步可能在高性能电力电子、高效通信系统和量子技术的发展中发挥至关重要的作用。为了突破现代设备的界限，钻石可能不会永远存在，但它们对纳米科学的影响肯定会持续下去 More information: Emma E. Nelson et al, Tabletop deep-ultraviolet transient grating for ultrafast nanoscale carrier-transport measurements in ultrawide-band-gap materials, Physical Review Applied (2024). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.22.054007

Journal information: Physical Review Applied