作者：Kenna Hughes-Castleberry

　　由美國(guó)科羅拉多大學(xué)物理學(xué)教授Margaret Murnane和Henry Kapteyn領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種突破性顯微鏡，能夠以前所未有的規(guī)模研究超寬帶隙材料。研究團(tuán)隊(duì)制造的深紫外顯微鏡用于研究難以分析的材料（如金剛石），提供了一種在納米尺度上探測(cè)電子和熱特性的新方法。

　　這項(xiàng)由行業(yè)挑戰(zhàn)引發(fā)的創(chuàng)新，利用了高能激光創(chuàng)造出納米級(jí)熱模式，揭示了對(duì)先進(jìn)電子產(chǎn)品至關(guān)重要的傳輸行為。該團(tuán)隊(duì)成員包括研究生Emma Nelson、Theodore Culman、Brendan McBennett以及前博士后研究員Albert Beardo和Joshua Knobloch。研究團(tuán)隊(duì)最近在《物理應(yīng)用評(píng)論》上發(fā)表了研究成果。她們創(chuàng)新的臺(tái)式深紫外（DUV）激光顯微鏡，可以激發(fā)和分析金剛石等材料中的納米級(jí)傳輸過程。

　　超寬帶隙半導(dǎo)體及其潛力

　　金剛石等超寬帶隙半導(dǎo)體，正在為下一代電子產(chǎn)品鋪平道路。與傳統(tǒng)硅基材料相比，它們?cè)趦r(jià)帶和導(dǎo)帶之間更寬的能隙使其能夠承受更高的電壓、以更快的速度運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)更高的效率。然而，研究電荷和熱量如何在極小尺度（從納米到微米）的材料中移動(dòng)，一直是業(yè)界面臨的重大挑戰(zhàn)。在這種情況下，材料研究中常用的可見光就顯得力不從心，因?yàn)樗鼰o法有效探測(cè)納米尺度的特性。此外，由于金剛石不吸收可見光，因此不能用來產(chǎn)生電流或快速加熱。

　　研究團(tuán)隊(duì)所開發(fā)的顯微鏡的工作原理是利用高能DUV激光，在材料表面形成納米級(jí)干涉圖案。該圖案以可控的周期性方式加熱材料，使研究人員能夠監(jiān)測(cè)熱量如何隨時(shí)間消散。這些觀察結(jié)果為深入了解材料的電子、熱和機(jī)械特性提供了重要依據(jù)，其空間分辨率可達(dá)287納米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了可見光所能達(dá)到的水平。

　　Murnane表示，這種新的探測(cè)能力對(duì)于未來基于金剛石或氮化物而不是硅基的電力電子、高頻通信和計(jì)算設(shè)備，非常重要。科學(xué)家們只有了解了材料的行為，才能解決在許多采用超寬帶隙材料的納米設(shè)備中觀察到的短壽命挑戰(zhàn)。

　　來自行業(yè)合作伙伴的挑戰(zhàn)

　　對(duì)于Nelson和其他研究人員來說，該項(xiàng)目始于一個(gè)行業(yè)合作伙伴提出的意想不到的挑戰(zhàn)。她說：3M公司找到我們，希望研究一種與現(xiàn)有顯微鏡不兼容的超寬材料樣品。團(tuán)隊(duì)隨后與3M公司的科學(xué)家Matthew Frey和Matthew Atkinson合作，制造了一臺(tái)可以對(duì)這種材料傳輸進(jìn)行成像的顯微鏡。

　　傳統(tǒng)的成像方法依靠可見光來觀察半導(dǎo)體和其她材料的微觀組成和傳輸行為，這對(duì)于研究帶隙較小的材料非常有效。然而，金剛石的價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能隙要大得多——通常超過4電子伏特(eV)——這使得它們對(duì)能量較低的可見光和紅外線是透明的。需要紫外線（UV）范圍或更高能量的光子，才能與這些材料中的電子相互作用并激發(fā)電子。

　　可見光裝置在空間分辨率方面顯得吃力，因?yàn)檩^長(zhǎng)波長(zhǎng)限制了探測(cè)納米級(jí)尺寸的能力。這些局限性啟發(fā)了研究小組對(duì)改進(jìn)成像裝置的新思路。Nelson說：團(tuán)隊(duì)集思廣益，想出了一個(gè)新實(shí)驗(yàn)，以擴(kuò)大研究范圍。經(jīng)過多年努力，我們終于開發(fā)出了一種緊湊型顯微鏡，這種顯微鏡利用紫外光在材料表面產(chǎn)生納米級(jí)熱圖案，而不改變材料本身。

　　潛入深紫外區(qū)

　　為了產(chǎn)生深紫外光，研究小組首先使用激光器發(fā)射波長(zhǎng)為800納米的脈沖光。然后，她們通過將激光穿過非線性晶體并操縱其能量，逐步將其轉(zhuǎn)換為越來越短的波長(zhǎng)，最終產(chǎn)生了波長(zhǎng)約為200納米的深紫外光源。每一步都需要在晶體內(nèi)精確地調(diào)整激光脈沖的空間和時(shí)間，以有效地達(dá)到所需的波長(zhǎng)。

　　Nelson說：在大流行病期間，我們花了幾年時(shí)間才使實(shí)驗(yàn)成功。她描述了通過三個(gè)連續(xù)晶體對(duì)準(zhǔn)光線的反復(fù)試驗(yàn)過程。但是，一旦我們有了這個(gè)裝置，我們就能在桌面上創(chuàng)造出前所未有的圖案。

　　創(chuàng)建納米級(jí)圖案的復(fù)雜過程

　　為了產(chǎn)生這種被稱為瞬態(tài)光柵的周期性圖案，研究人員使用衍射光柵將紫外光分成兩束相同的光。這些光束以略微不同的角度照射到材料表面，在那里它們相互重疊和干涉，形成了高能量和低能量交替的精確正弦曲線圖案。這種干涉圖案就像納米級(jí)“光柵”，以可控的方式暫時(shí)加熱材料，并產(chǎn)生局部的能量變化。

　　通過這一過程，研究小組可以研究熱量、電子或機(jī)械波（取決于材料）如何在納米級(jí)光柵上傳播和相互作用。光柵的周期定義了這些高能峰之間的距離，與光源的波長(zhǎng)密切相關(guān)，研究人員可以通過使用更高能量（和更短波長(zhǎng)）的光，來獲得更短的周期。

　　研究人員通過調(diào)整光束角度，從而調(diào)整周期，并對(duì)微觀尺度上的傳輸現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)研究。例如，在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究小組實(shí)現(xiàn)了精細(xì)到287納米的光柵圖案，創(chuàng)下了激光桌面裝置的紀(jì)錄。

　　測(cè)試新型DUV顯微鏡

　　DUV瞬態(tài)光柵系統(tǒng)投入使用后，研究小組的工作重點(diǎn)是驗(yàn)證其準(zhǔn)確性并探索功能。他們的首次測(cè)試涉及金薄膜。由于金薄膜的特性廣為人知，因此被用作基準(zhǔn)材料。研究人員利用新系統(tǒng)產(chǎn)生納米級(jí)熱模式，在薄膜表面發(fā)射聲波。通過分析這些聲波的頻率和行為，他們提取了密度和彈性等材料特性。

　　為了證實(shí)結(jié)果，Nelson開發(fā)了計(jì)算機(jī)模型，模擬金薄膜在類似條件下的行為。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與她的預(yù)測(cè)非常吻合，有力驗(yàn)證了系統(tǒng)的精確性。Nelson說：看到實(shí)驗(yàn)成功并與創(chuàng)建的模型相吻合，我們松了一口氣，這是一個(gè)激動(dòng)人心的里程碑。

　　揭開金剛石特性的新奧秘

　　接下來，研究小組使用新的紫外顯微鏡觀察金剛石，這種材料因卓越的電子和熱性能而備受推崇。以前，研究金剛石的技術(shù)往往需要進(jìn)行物理改動(dòng)，如添加納米結(jié)構(gòu)或涂層，從而在無意中改變了金剛石的特性。DUV系統(tǒng)消除了這種需要，使研究小組能夠研究原始狀態(tài)的金剛石。

　　研究人員利用新裝置觀察到電荷載流子——電子和空穴——在被紫外光激發(fā)后，是如何在金剛石上擴(kuò)散的。這一過程揭示了金剛石納米級(jí)傳輸動(dòng)力學(xué)的新見解，尤其是在納米尺度上。

　　對(duì)未來技術(shù)的更廣泛影響

　　除了驗(yàn)證系統(tǒng)和探索金剛石的特性，研究小組的發(fā)現(xiàn)還揭示了納米級(jí)熱傳輸?shù)钠渌麊栴}。在如此小的尺度上，熱量并不總是像傳統(tǒng)物理模型所預(yù)測(cè)的那樣進(jìn)行平滑、連續(xù)的流動(dòng)。相反，納米尺度的傳輸可能涉及彈道效應(yīng)和流體力學(xué)效應(yīng)，其中像聲子這樣的能量載體可以直線傳播而不發(fā)生散射，也可以像水流一樣在通道中擴(kuò)散。

　　隨著研究人員不斷完善這些技術(shù)和探索新材料，這一進(jìn)步將在高性能電力電子器件、高效通信系統(tǒng)和量子技術(shù)的發(fā)展中，發(fā)揮至關(guān)重要的作用。在推動(dòng)現(xiàn)代設(shè)備發(fā)展的過程中，金剛石可能并不是主角，但它們對(duì)納米科學(xué)的影響將會(huì)持續(xù)下去。

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