(Phys.org) —La capacidad del NIST para determinar la composición y la física de materiales y dispositivos a nanoescala está a punto de mejorar drásticamente con la llegada de un nuevo microscopio de microondas de barrido de campo cercano (NSMM).

El nombre puede ser un bocado pero los NSMM se merecen cada sílaba. Pocas técnicas pueden realizar mediciones de resolución equivalente para una gama tan amplia de muestras, incluyendo semiconductores, nanoalambre semiconductor, materiales para aplicaciones fotovoltaicas, materiales magnéticos, materiales multiferroicos, e incluso proteínas y ADN.

Investigadores de la División de Electromagnetismo de PML, utilizando NSMM comerciales y caseros existentes, han sido pioneros en muchas aplicaciones, en particular, incluida la determinación de la distribución de dopantes semiconductores (es decir, concentraciones de portadores de carga) en 2D y 3D. Esa capacidad es requerida por una variedad de tecnologías emergentes, como la electrónica molecular, nanotubos de carbon, nanocables, grafeno y electrónica basada en espín. Se espera que el nuevo instrumento acelere ese progreso de manera significativa.

"Básicamente, Lo que estamos haciendo es utilizar la resolución espacial muy fina de los instrumentos de sonda de barrido, como los microscopios de túnel de barrido o los microscopios de fuerza atómica (AFM), y combinarlos con la compatibilidad de banda ancha de las mediciones de microondas. ", dice Mitch Wallis del Grupo de Electrónica de Radiofrecuencia." Nuestra motivación es que queremos mirar cosas como la resonancia magnética o la resonancia mecánica en la nanoescala usando microondas. Si miras tu teléfono celular o tu computadora, todos operan en el rango de unos pocos gigahercios. Entonces, tenemos que medir los objetos a nanoescala que componen esos dispositivos para comprender cómo funcionan en esas frecuencias. De lo contrario, será mucho más difícil integrarlos en dispositivos comerciales útiles ".

En líneas generales, una configuración NSMM consiste en un microscopio de fuerza atómica combinado con una señal de microondas continua o pulsada aplicada a la punta del AFM. La punta escanea a través de la muestra en un contacto suave o a una distancia de unos pocos nanómetros por encima de la superficie. emitiendo una señal de microondas que es dispersada por el material, alterando su frecuencia, amplitud y otras propiedades. La naturaleza de la señal alterada que regresa a la punta, que también sirve como antena receptora, depende fundamentalmente de variables como la permeabilidad, permitividad resistencia de la hoja, constante dieléctrica, impedancia, o la forma en que la capacitancia cambia con el voltaje, que a su vez están determinadas por la composición física del objeto investigado.

"Al medir la señal dispersa dependiente de la frecuencia, tenemos, en efecto, otra perilla para girar, "dice el veterano investigador Pavel Kabos del Programa de Dispositivos Avanzados de Alta Frecuencia." Y muy recientemente pudimos examinar las propiedades locales de muestras en dimensiones extremadamente pequeñas, muy cerca del nivel de una sola molécula.

Esto es de gran interés, por ejemplo, a los diseñadores y fabricantes de microchips que necesitan conocer el perfil de dopaje alrededor de una puerta o fuente de transistor o drenaje en un chip de memoria dinámico de acceso aleatorio ".

La información espacial registrada por la punta de exploración se fusiona con los datos de la señal de microondas de retorno en cada punto de un área designada (normalmente unos pocos micrómetros cuadrados) para crear una imagen compuesta. Los NSMM se pueden ajustar para producir imágenes a profundidades que van desde submicrómetros hasta 100 μm por debajo de la superficie. "Entonces, por ejemplo, si tiene una fina capa de metal encima de la muestra y un material piezoeléctrico debajo, puede ver lo que le sucede al material piezoeléctrico a través de la hoja de metal, "Dice Kabos.

Puede parecer contradictorio que longitudes de onda del orden de un centímetro hasta unos pocos milímetros puedan proporcionar una resolución a escala nanométrica. "Es una paradoja, "Kabos dice, "hasta que miras las dimensiones involucradas. La punta afilada del AFM tiene solo unos 100 nanómetros de ancho, y se coloca a solo unos pocos nanómetros de la superficie o está en un contacto suave con la muestra. Es la elevación de la punta la que gobierna la resolución. La distancia de la punta es mucho menor que la longitud de onda de la señal que predominan los efectos de 'campo cercano', que permite una resolución en nanómetros y una alta precisión, medidas cuantitativas ".

Los investigadores pueden alterar tanto el voltaje de la punta como la frecuencia de microondas para examinar diferentes aspectos de la muestra. Por ejemplo, en un artículo de 2012, Atif Imtiaz y colegas de PML, junto con investigadores del fabricante de instrumentos Agilent Technologies, C ª., mostró cómo el cambio de la polarización de la punta revela la densidad de portadora local en un semiconductor, y de ahí el perfil dopante de una región. "Dependiendo del signo del sesgo aplicado a la punta, los portadores de carga en el semiconductor son atraídos o agotados desde la superficie, formando una región de carga espacial, "escriben los autores.

Debido a que el ancho de esa región también es función de la densidad del portador, proporciona una medida sensible de la composición del dopante. "Muy recientemente, "Kabos dice, "Hemos podido observar un área de 3 micrómetros de ancho y ver cómo se distribuye el dopaje en la unión P-N, así como ubicar el cruce con precisión ".

Alternativamente, cambiar la frecuencia de microondas revela otras propiedades. "El mismo material puede verse muy diferente a las 5, 7, o 18 GHz, ", Dice Kabos." Así que no solo podemos determinar el perfil de dopaje a nivel local, pero también observe el rendimiento para una frecuencia determinada en una región determinada ".

El nuevo dispositivo, programado para una llegada de otoño, proporcionará muchas capacidades nuevas. Los instrumentos existentes tienen una sola punta que está abierta al aire. El nuevo NSMM tiene cuatro consejos, permitiendo comparaciones simultáneas de materiales, y está encerrado en una cámara de vacío ultra alto para minimizar la interferencia de señal y la contaminación de la muestra. También cuenta con una cámara de preparación de muestras al vacío y control de temperatura desde aproximadamente 30 K hasta la temperatura ambiente.

Entre otros usos, el nuevo instrumento permitirá a los investigadores explorar con mucho mayor detalle las propiedades que afectan la idoneidad de varios materiales, operando a frecuencias de microondas, para su uso en electrónica y bioelectrónica a nanoescala, así como tecnologías emergentes para aplicaciones espintrónicas o fasetrónicas en configuraciones de una o varias capas.

La investigación futura abordará varias áreas importantes. Uno es el posible desarrollo de materiales de referencia. Ese esfuerzo implicará la creación de modelos cuantitativos para estimar propiedades locales de materiales y dispositivos. Otra área involucra comparar y analizar cambios resultantes de diferentes variables, combinando espectroscopía dependiente del voltaje y dependiente de la frecuencia. Hay un interés considerable, por ejemplo, al medir la derivada de la fase entre la señal incidente y reflejada de la carga de la punta a la muestra, así como la derivada de capacitancia medida actualmente en función del voltaje. Ese trabajo podría proporcionar mejoras significativas en la relación señal-ruido, mejorar la sensibilidad a las concentraciones de agua en muestras biológicas y permitir potencialmente la obtención de imágenes de células biológicas vivas en solución salina. Finalmente, Hay planes para diseñar configuraciones NSMM de dos y múltiples sondas que puedan medir elementos complejos de matriz de dispersión multipuerto de microondas para estudios de transporte de banda ancha de sistemas como la espintrónica de alta frecuencia y la nanoelectrónica basada en carbono.