Fig.1 (a) Ilustración esquemática de la configuración de medición. La muestra de película fina C60 tiene una estructura que consta de varias capas. (b) Instantáneas de la dinámica de electrones obtenidas sobre el área que se muestra en la imagen STM inferior. Cada instantánea representa la distribución de electrones libres en 1, 3, 14, y 29 ps después de la excitación del pulso IR. La parte inferior es la imagen STM del área de medición, y la ubicación indicada por la línea de puntos en la imagen STM muestra los pasos formados por las capas moleculares. El color rojo (azul) representa el área con mayor (menor) densidad de electrones. La densidad de electrones disminuyó en la parte superior de los escalones a medida que el color cambia de rojo a azul, mientras que los electrones permanecieron incluso a 29 ps después de la excitación IR en el lado inferior, ya que el color permanece rojo. Crédito:Universidad de Tsukuba
Un equipo de investigadores de la Facultad de Ciencias Puras y Aplicadas de la Universidad de Tsukuba filmó el movimiento ultrarrápido de los electrones con una resolución espacial sub-nanoescala. Este trabajo proporciona una poderosa herramienta para estudiar el funcionamiento de dispositivos semiconductores, lo que puede conducir a dispositivos electrónicos más eficientes.
La capacidad de construir chips de computadora y teléfonos inteligentes cada vez más pequeños y rápidos depende de la capacidad de los fabricantes de semiconductores para comprender cómo los electrones que transportan información se ven afectados por los defectos. Sin embargo, estos movimientos ocurren en la escala de billonésimas de segundo, y solo se pueden ver con un microscopio que puede obtener imágenes de átomos individuales. Puede parecer una tarea imposible, pero esto es exactamente lo que pudo lograr un equipo de científicos de la Universidad de Tsukuba.
El sistema experimental consistió en moléculas de carbono de buckminsterfullereno, que tienen un parecido asombroso con los balones de fútbol cosidos, dispuestas en una estructura de múltiples capas sobre un sustrato de oro. Primero, Se instaló un microscopio de efecto túnel para capturar las películas. Para observar el movimiento de los electrones, Se aplicó un pulso de bomba electromagnética infrarroja para inyectar electrones en la muestra. Luego, después de un retraso de tiempo establecido, Se utilizó un solo pulso ultrarrápido de terahercios para sondear la ubicación de las elecciones. El aumento de la demora permitió capturar el siguiente "cuadro" de la película. Esta nueva combinación de microscopía de túnel de barrido y pulsos ultrarrápidos permitió al equipo lograr una resolución espacial a sub-nanoescala y una resolución de tiempo de casi picosegundos por primera vez. "Utilizando nuestro método, pudimos ver claramente los efectos de las imperfecciones, como una vacante molecular o un trastorno de orientación, "explica el primer autor, el profesor Shoji Yoshida. La captura de cada fotograma tomó solo dos minutos, lo que permite que los resultados sean reproducibles. Esto también hace que el enfoque sea más práctico como herramienta para la industria de los semiconductores.
"Esperamos que esta tecnología ayude a liderar el camino hacia la próxima generación de productos electrónicos orgánicos, ", dice el autor principal, el profesor Hidemi Shigekawa. Al comprender los efectos de las imperfecciones, algunas vacantes, impurezas, o se pueden introducir deliberadamente defectos estructurales en los dispositivos para controlar su función.
Fig.2 Dinámica de electrones alrededor de un defecto molecular desorientado. (a) Imagen STM e instantáneas obtenidas sobre un área que incluye el defecto indicado por la flecha blanca. Las instantáneas muestran claramente que los electrones todavía estaban atrapados en el único defecto brillante incluso 63 ps después de la excitación del pulso IR como se muestra en (b). El defecto parece más brillante que las otras moléculas de C60 debido a la trampa de electrones en el sitio molecular único. Crédito:Universidad de Tsukuba
