Se extrae un solo nanoalambre de GaN de un "bosque" de cables que crecen mediante epitaxia de haz molecular. Haga clic en la imagen para ver una ampliación que muestra el nanoalambre que se coloca en un orificio perforado en una sonda AFM. Ambas imágenes tienen colores falsos para mayor claridad.
(Phys.org):en respuesta a las solicitudes de la industria de los semiconductores, Un equipo de investigadores de PML ha demostrado que las puntas de las sondas del microscopio de fuerza atómica (AFM) fabricadas con sus nanocables de nitruro de galio casi perfectos son superiores en muchos aspectos a las puntas de platino o silicio estándar en medidas de importancia crítica para la fabricación de microchips. nanobiotecnología, y otros esfuerzos.
Además, Los científicos han inventado un medio para utilizar simultáneamente las puntas de los nanocables como LED para iluminar una pequeña región de muestra con radiación óptica mientras se escanea. añadiendo una dimensión completamente nueva a la caracterización de materiales y dispositivos nanoelectrónicos.
Por sí mismo, un AFM proporciona información topográfica a una resolución nanométrica a medida que la punta de la sonda, en el rango de 100 nm de ancho y suspendida de un brazo en voladizo, escanea la superficie de una muestra. Cuando la punta se usa al mismo tiempo para transmitir y recibir continuamente una señal de microondas, el sistema se vuelve capaz de revelar concentraciones de portadores de carga o ubicaciones de defectos en regiones específicas de materiales y dispositivos a nanoescala.
Esa técnica, llamado microscopía de microondas de barrido de campo cercano (NSMM), nunca antes se había intentado utilizar una sonda de nanocables. Pero como demostró el equipo en un artículo reciente en Applied Physics Letters, Las puntas de sonda de nanocables superaron sustancialmente a las puntas de Pt comerciales en resolución y durabilidad.
"Un gran problema para las sondas de platino, "dice Kris Bertness, Líder de Proyecto de Metrología y Síntesis de Nanoestructuras 3D en la División de Electrónica Cuántica y Fotónica, "es que si los deformas aunque sea un poquito, y su forma cambia, su calibración se pierde. Debido a que están acoplados capacitivamente a la muestra, la forma lo es todo.
"Por el contrario, Nuestras puntas de sonda de nanocables tienen una vida útil de calibración aproximadamente 10 veces más larga que cualquier punta comercial. No vemos ningún desgaste visible después de realizar decenas de escaneos, mientras que el platino se deforma, perdiendo resolución y calibración, después de cinco a diez escaneos ". En una serie de 12 escaneos, el radio de la punta de Pt cambió de ~ 50 nm a ~ 150 nm. El nanoalambre sin embargo, conservó sus dimensiones originales. Es más, las puntas de GaN mostraron una sensibilidad mejorada y una incertidumbre reducida en comparación con una punta comercial de Pt.
Al iluminar una muestra NSMM con un láser convencional, la luz entra en ángulo y aumenta en gran medida el espacio ocupado por el aparato.
NSMM puede producir imágenes muy detalladas de la densidad local de portadores de carga positiva y negativa dentro de una nanoestructura, información de gran importancia práctica para los fabricantes de microdispositivos, y los científicos de la División de Electromagnetismo de PML han logrado un progreso notable en la técnica. Creen que el uso de sondas de nanocables, junto con la reciente llegada de un nuevo, hecho a medida, instrumento NSMM de cuatro sondas, revelará nuevos aspectos de la composición y el rendimiento de la nanoestructura. En materiales biológicos, podría localizar la unión de agentes químicos o partículas que están unidas a una célula, y ayuda en el estudio de la dinámica de las proteínas.
Implementar un nanocable como punta de sonda parece engañosamente simple. Los investigadores obtienen un voladizo y una sonda AFM convencionales, quitar la punta existente, y use un dispositivo llamado haz de iones enfocado para perforar un orificio de aproximadamente 5 micrómetros de profundidad en el soporte de la punta. Luego, usando un manipulador minúsculo, rompen un solo nanoalambre de un "bosque" de ellos cultivados por epitaxia de haz molecular, inserte el cable en el agujero, y soldarlo en su lugar. Finalmente, el alambre se recubre con capas delgadas de titanio (20 nm) y aluminio (200 nm) para conducir la señal de microondas hasta el final de la punta y la espalda.
Los investigadores probaron su punta contra una punta de silicona, una punta de platino, y un nanoalambre de GaN sin revestimiento, cada uno de los cuales se escaneó a través de una serie de microcondensadores de diferentes tamaños. El nanoalambre recubierto demostró ser aproximadamente el doble de sensible que la sonda de Pt, y cuatro veces más sensible que los demás, con un rendimiento mecánico superior. "Eso puede ser extremadamente importante para caracterizar la próxima generación de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos avanzados, ", Dice Bertness. En la actualidad, solo se pueden hacer unas pocas sondas de GaN a la vez, pero el equipo está trabajando en el desarrollo de ideas para producirlas en cantidades a escala de obleas.
Al mismo tiempo, los investigadores se están preparando para probar una nueva tecnología para la que obtuvieron una patente en julio, 2013:Uso de la punta del nanocable como fuente de luz dopando para que funcione como un LED. La radiación óptica puede servir para excitar la muestra de forma diferente a la señal de microondas, y los científicos ya están utilizando láseres para iluminar muestras a nanoescala durante los escaneos AFM.
"El problema con ese enfoque, "dice el veterano investigador de NSMM Pavel Kabos del Programa de Dispositivos Avanzados de Alta Frecuencia en la División de Electromagnetismo de PML, "es que el láser tiene que brillar desde un lado. Como resultado, obtienes sombras proyectadas e incertidumbre significativa en cuanto a exactamente qué área se está iluminando. Y, por supuesto, el láser y su montaje ocupan mucho espacio.
"Con el nuevo diseño, la iluminación se aplicará directamente sobre la punta de la sonda en el mismo lugar de la muestra que está siendo expuesta a la señal de microondas. Eso podría ser particularmente beneficioso para caracterizar materiales fotovoltaicos en los que podría aplicar una luz y obtener la concentración del portador al mismo tiempo. Toda la unidad puede ser mucho más pequeña, y la fuente de luz a nanoescala le permite inyectar algunos portadores de manera muy local, de una manera que no se puede hacer con otros métodos ". Para investigar la próxima generación de materiales fotovoltaicos, Bertness dice:"Hemos estado usando iluminación por inundación. Pero lo que queremos ver es cómo los granos individuales responden a la luz. La técnica LED puede hacerlo posible. En aplicaciones biológicas, esperamos que proporcione una mejora de un orden de magnitud en la capacidad de investigar procesos como la dinámica de las proteínas ".
El nuevo, El instrumento NSMM de cuatro sondas tiene cuatro puntas, permitiendo comparaciones simultáneas de materiales. Las sondas están encerradas en una cámara de vacío ultra alto para minimizar la interferencia y la contaminación.
Alcanzar ese objetivo requerirá más investigación sobre cómo dopar los nanocables de GaN para aumentar la eficiencia de la producción de luz. y cómo coordinar e integrar mediciones topográficas, microonda, y modalidades ópticas.
Pero Bertness es optimista. "Me llevó diez años de arduo trabajo aprender a fabricar y caracterizar estos materiales, y desarrollamos muchas técnicas de metrología importantes a lo largo del camino. Pero realmente no pudimos probar nanocables como puntas de sonda hasta hace unos meses cuando la instalación de imágenes de precisión del laboratorio de Boulder obtuvo un haz de iones enfocado. Estos resultados iniciales nos dan la confianza de que esta tecnología impactará en una amplia gama de problemas científicos y tecnológicos donde conocer las propiedades de los materiales en la escala micrométrica y nanométrica es crucial. desde la electrónica de semiconductores hasta la bioquímica y la medicina ".
