אוניברסיטת מישיגן סטייט שילבה אור לייזר מסוג Terahertz, המוצג כחץ גלי אדום, עם מיקרוסקופ מנהור סורק, או STM, קצה – צורת הפירמידה הכהה המחליפה אלקטרון אדום עם דגימה המוצגת עם משטח כחול. קרדיט: איב אמרמן
פיזיקאים פיתחו טכניקה פורצת דרך באמצעות מיקרוסקופיה ברזולוציה גבוהה ולייזרים מהירים במיוחד כדי לזהות במדויק פגמים ב מוליכים למחצה.
שיטה חדשה זו, יעילה במיוחד ב ננומטרי רכיבים, מאפשר פירוט חסר תקדים בהתבוננות בתנועת אלקטרונים סביב פגמים אטומיים, מקדם באופן משמעותי את תחום הפיזיקה של מוליכים למחצה ומבטיח אפשרויות חדשות לחומרים כמו גרפן.
ניתוח מוליכים למחצה מתקדם
אחד האתגרים של דחיסת אלקטרוניקה חכמה וחזקה יותר למכשירים הולכים ומצטמצמים הוא פיתוח הכלים והטכניקות לניתוח החומרים המרכיבים אותם בדיוק אינטימי יותר ויותר.
פיזיקאים מאוניברסיטת מישיגן סטייט עשו צעד המיוחל בחזית זו עם גישה המשלבת מיקרוסקופיה ברזולוציה גבוהה עם לייזרים מהירים במיוחד.
הטכניקה, המתוארת בכתב העת טבע פוטוניקה, מאפשרת לחוקרים לזהות אטומים שגויים במוליכים למחצה בדיוק שאין שני לו. פיזיקת מוליכים למחצה מתייגת את האטומים האלה כ"פגמים", מה שנשמע שלילי, אבל הם בדרך כלל מתווספים לחומרים בכוונה והם חשובים ביותר לביצועים של מוליכים למחצה במכשירים של היום – ושל המחר.
"זה רלוונטי במיוחד עבור רכיבים עם מבנים ננומטריים", אמר טיילר קוקר, יו"ר ג'רי קוון בפיזיקה ניסויית ומוביל המחקר החדש.
טיילר קוקר (משמאל), הקתדרה המוענקת לפיזיקה ניסויית בג'רי קאון באוניברסיטת מישיגן סטייט, יחד עם הדוקטורנטים סטפני אדמס ומוחמד חסן במעבדת ננוסקופיה אולטרה-מהירה של Terahertz. קרדיט: Matt Davenport/MSU College of Natural Science
התקדמות בחומרים ננומטרים
זה כולל דברים כמו שבבי מחשב, שעושים שימוש שגרתי במוליכים למחצה עם תכונות ננומטריות. וחוקרים פועלים לקחת את הארכיטקטורה בקנה מידה ננו קיצוני על ידי חומרים הנדסיים שהם יחיד אָטוֹם עבה.
"החומרים הננוסקופיים האלה הם העתיד של מוליכים למחצה", אמר קוקר, שגם מוביל את מעבדת הננוסקופיה האולטרה-מהירה של Terahertz במחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה ב-MSU. "כשיש לך אלקטרוניקה בקנה מידה ננו, זה באמת חשוב לוודא שהאלקטרונים יכולים לנוע כמו שאתה רוצה שהם יעברו."
לפגמים יש חלק גדול בתנועת האלקטרונים הזו, וזו הסיבה שמדענים כמו קוקר מעוניינים ללמוד בדיוק היכן הם ממוקמים וכיצד הם מתנהגים. חבריו של קוקר התרגשו לגלות שהטכניקה החדשה של הצוות שלו תאפשר להם להשיג את המידע הזה בקלות.
"אחד מהקולגות שלי אמר, 'אני מקווה שיצאת וחגגת'", אמר קוקר.
Vedran Jelic, שעמד בראש הפרויקט כחוקר פוסט-דוקטורט בקבוצתו של קוקר וכעת נמצא במועצה הלאומית למחקר בקנדה, הוא המחבר הראשון של הדו"ח החדש. צוות המחקר כלל גם את הדוקטורנטים סטפני אדמס, איב אמרמן ומוחמד חסן, כמו גם חוקר לתואר ראשון Kaedon Cleland-Host.
קוקר הוסיף שהטכניקה היא פשוטה ליישום עם הציוד המתאים והצוות שלו כבר מיישם אותה על חומרים דקים מבחינה אטומית כמו סרטי ננו גרפן.
"יש לנו מספר פרויקטים פתוחים שבהם אנו משתמשים בטכניקה עם יותר חומרים וחומרים אקזוטיים יותר," אמר קוקר. "אנחנו בעצם מקפלים את זה לכל מה שאנחנו עושים ומשתמשים בו כטכניקה סטנדרטית."
דוקטורנטים מוחמד חסן וסטפני אדמס בודקים שולחן אופטיקה כדי לכוון את אור הלייזר המשמש בטכניקה החדשה של אוניברסיטת מישיגן סטייט. קרדיט: Matt Davenport/MSU College of Natural Science
טכניקות מיקרוסקופיה חדשניות
יש כבר כלים, בעיקר סריקת מיקרוסקופים למנהור או STM, שיכולים לעזור למדענים לזהות פגמים באטום בודד.
בניגוד למיקרוסקופים שאנשים רבים יזהו משיעורי מדעים בתיכון, STMs לא משתמשים בעדשות ובנורות כדי להגדיל חפצים. במקום זאת, STM סורקים את פני השטח של דגימה באמצעות קצה חד אטומי, כמעט כמו החרט על נגן תקליטים.
אבל קצה STM לא נוגע במשטח הדגימה, הוא פשוט מתקרב מספיק כדי שהאלקטרונים יוכלו לקפוץ, או לעבור במנהרה, בין הקצה לדגימה.
STMs מתעדים כמה אלקטרונים קופצים ומאיפה הם קופצים, יחד עם מידע אחר, כדי לספק מידע בקנה מידה אטומי על דגימות (ולכן, מדוע המעבדה של קוקר מתייחסת לזה כננוסקופיה במקום מיקרוסקופיה).
אבל נתוני STM לבדם לא תמיד מספיקים כדי לפתור בבירור פגמים בתוך דגימה, במיוחד בגליום ארסניד, חומר מוליך למחצה חשוב שנמצא במערכות מכ"ם, תאים סולאריים בעלי יעילות גבוהה ומכשירי תקשורת מודרניים.
עבור הפרסום האחרון שלהם, קוקר וצוותו התמקדו בדגימות גליום ארסניד שהוזרמו בכוונה עם אטומים פגומים בסיליקון כדי לכוון כיצד אלקטרונים נעים דרך המוליך למחצה.
גילוי ואימות של פגמים
"אטום הסיליקון נראה בעצם כמו בור עמוק לאלקטרונים", אמר קוקר.
למרות שתיאורטיקנים חקרו סוג זה של פגם במשך עשרות שנים, ניסויים לא הצליחו לזהות אטומים בודדים אלה ישירות, עד כה.
הטכניקה החדשה של קוקר וצוותו עדיין משתמשת ב-STM, אבל החוקרים גם מאירים פעימות לייזר ממש בקצה ה-STM.
פולסים אלה מורכבים מגלי אור עם תדרי טרה-הרץ, כלומר הם מתנועעים למעלה ולמטה טריליון פעמים בשנייה. לאחרונה, תיאורטיקנים הראו שזהו אותו תדירות שפגמים באטומי סיליקון צריכים לנענע קדימה ואחורה עם דגימת גליום ארסניד.
על ידי צימוד STM לאור terahertz, צוות MSU יצר בדיקה בעלת רגישות שאין שני לה לפגמים.
כאשר קצה STM הגיע לפגם סיליקון על פני השטח של גליום ארסניד, הופיע אות פתאומי ועז בנתוני המדידה של הצוות. כאשר החוקרים הזיזו את הקצה אטום הרחק מהפגם, האות נעלם.
"הנה הפגם הזה שאנשים צדים כבר יותר מארבעים שנה, ויכולנו לראות אותו מצלצל כמו פעמון", אמר קוקר.
הישגים תיאורטיים ומעשיים
"בהתחלה, היה קשה להאמין כי זה כל כך מובחן," הוא המשיך. "היינו צריכים למדוד את זה בכל דרך כדי להיות בטוחים שזה אמיתי."
ברגע שהם היו משוכנעים שהאות אמיתי, עם זאת, קל היה להסביר זאת הודות לשנים של עבודת תיאוריה שהוקדשה לנושא.
"כשאתה מגלה משהו כזה, זה באמת מועיל כשיש כבר עשרות שנים של מחקר תיאורטי שמאפיין אותו באופן יסודי", אמר ג'ליק, שיחד עם קוקר הוא גם מחבר מקביל במאמר החדש.
למרות שהמעבדה של קוקר נמצאת בחזית התחום הזה, ישנן קבוצות ברחבי העולם המשלבות כיום STMs ו-terahertz light. ישנם גם מגוון חומרים אחרים שיכולים להפיק תועלת מטכניקה זו עבור יישומים מעבר לאיתור פגמים.
כעת, כשהצוות שלו שיתף את הקהילה בגישה שלו, קוקר נרגש לראות אילו תגליות אחרות מחכות.
הפרויקט נתמך על ידי המשרד למחקר ימי, משרד המחקר של הצבא והמשרד למחקר מדעי של חיל האוויר.
