La nanofabricación de dispositivos electrónicos ha alcanzado una escala de un solo nanómetro (10 ^-9 metro). El rápido avance de la nanociencia y la nanotecnología ahora requiere espectroscopía óptica a escala atómica para caracterizar las estructuras atomísticas que afectarán las propiedades y funciones de los dispositivos electrónicos.

El equipo internacional encabezado por Takashi Kumagai en el Instituto de Ciencia Molecular descubrió una gran mejora de la dispersión Raman mediada por la formación de un punto de contacto atómico entre una punta de plata plasmónica y una superficie reconstruida de Si (111) -7 × 7. Esto se logró mediante la espectroscopía Raman mejorada de punta de baja temperatura de última generación que permite realizar espectroscopía vibracional a escala atómica.

El mecanismo de mejora descubierto de la dispersión Raman abrirá la posibilidad de una espectroscopía vibracional ultrasensible a escala atómica para investigar las estructuras superficiales de los semiconductores. Además, la microscopía óptica desarrollada a escala atómica allanará el camino para explorar las interacciones luz-materia a escala atómica, conduciendo a una nueva disciplina en ciencia y tecnología de la luz.

La súper integración de dispositivos electrónicos ha entrado en una escala de un solo nanómetro, pidiendo métodos analíticos que puedan investigar estructuras y defectos a escala atómica en detalle. El avance de la microscopía óptica de campo cercano de exploración ha permitido la obtención de imágenes a nanoescala y los análisis químicos a nanoescala. Más recientemente, Se demostró que la resolución espacial de esta técnica alcanza la escala atómica. En particular, La espectroscopía Raman mejorada con punta ha atraído cada vez más la atención como microscopía química ultrasensible. Sin embargo, para obtener una señal Raman de superficies semiconductoras, era necesario mejorar aún más la sensibilidad.

El equipo de investigación aplicó espectroscopía Raman mejorada con punta de baja temperatura de última generación, desarrollado en colaboración con el Instituto Fritz-Haber, para obtener los espectros de vibración de una superficie de silicio. La espectroscopia Raman mejorada con punta emplea una fuerte interacción luz-materia entre un material y la luz a nanoescala (resonancia de plasmón superficial localizada) generada en una punta metálica atómicamente afilada. El equipo de investigación descubrió que una formación de contacto de punto atómico de una punta de plata y una superficie de Si (111) -7 × 7 reconstruida conduce a una gran mejora de la dispersión Raman. La figura 1a ilustra el experimento. Una punta de plata afilada fabricada por haz de iones enfocado (figura 1b, arriba) se mueve hacia la superficie de silicio (figura 1b, fondo), mientras monitorea los espectros Raman desde la unión. La Figura 1c muestra el diagrama de cascada de los espectros Raman obtenidos, donde el eje horizontal el cambio Raman, y la escala de color la intensidad Raman. Cuando la punta está en régimen de tunelización, solo el modo de fonón óptico del silicio a granel se observa a 520 cm ^-1 . Sin embargo, cuando el contacto del punto atómico entre la punta y la superficie, la fuerte dispersión Raman de los modos de fonón de superficie aparece de repente. Estos modos desaparecen nuevamente cuando la punta se aleja de la superficie y se rompe el contacto del punto atómico.

El equipo de investigación demostró además que esta espectroscopia Raman de contacto de punto atómico (APCRS) puede resolver las estructuras a escala atómica de la superficie del silicio. Como se muestra en la figura 2, el espectro Raman es diferente cuando se registra en un paso atómico de la superficie. Es más, los modos de vibración característicos se pueden observar selectivamente en el sitio oxidado localmente (figura 3), que indica la sensibilidad química a escala atómica de la espectroscopía Raman de contacto de punto atómico.

Anteriormente se pensaba que un nanogap plasmónico es necesario para obtener la sensibilidad ultra alta en la espectroscopia Raman mejorada con punta, que normalmente requiere un sustrato metálico. Esto impuso una severa limitación a las muestras mensurables. El descubrimiento de la enorme mejora de Raman en la formación del contacto del punto atómico ampliará el potencial de la espectroscopia de vibración a escala atómica, que es aplicable a muestras no plasmónicas y la sensibilidad química excepcional se obtendrá para muchos otros materiales. Además, Nuestros resultados también sugieren que las estructuras a escala atómica desempeñan un papel indispensable en los nanosistemas híbridos de metal-semiconductor para afectar sus propiedades optoelectrónicas.