Учёные проапгрейдили сканирующий туннельный микроскоп, чтобы подглядывать за атомами кремния

Уменьшение шага проекции полупроводниковой литографии заставляет более пристально вглядываться в перспективные материалы вплоть до анализа расположения отдельных атомов. С такой задачей обычно справляется сканирующий туннельный микроскоп. Но его возможности не безграничны, и в ряде случаев он не способен различить отдельные атомы, что критично для анализа так называемых дефектов в кристаллических решётках. Учёные из США нашли решение этой проблемы.

Ила микроскопа нависла над поверхностью. Луч лазера ударяет в изучаемую область и вызывает отклик. Источник изображения: Michigan State University

Сканирующий туннельный микроскоп представляет собой иглу с кончиком атомарной толщины. Он проходит над поверхностью изучаемого материала как игла проигрывателя по бороздке виниловой пластинки проигрывателя. Только игла микроскопа не касается поверхности. Электроны сами соскакивают с атомов материала и туннелируют на иглу, возбуждая в ней электрический ток. Подсчёт электронов (измерение токов) и расчёты позволяют многое выяснить об анализируемом образце. Но в некоторых случаях это не работает.

В частности, сканирующий туннельный микроскоп плохо воспринимает атомы кремния. Для электрона атом кремния почти как глубокая яма, которую он не может покинуть или перелететь. На этот счёт проведено множество теоретических изысканий, но на практике работать с кремнием и, особенно, с дефектами на основе кремния, оказалось непросто. Между тем, дефекты в виде внедрённых в кристаллическую структуру арсенида галлия атомов кремния — это одно из перспективных направлений в электронике будущего. Каждый такой дефект отвечает за характеристики токов через полупроводник, что позволит создавать очень и очень маленькие транзисторы.

Учёные из Университета Мичигана (Michigan State University) нашли возможность заставить атомы показать своё истинное лицо. Они совместили анализ материала сканирующим туннельным микроскопом с терагерцовым лазером. Выяснилось, что когда частота колебания лазера совпадает с частотой колебания атома кремния в составе кристаллической решётки арсенида галлия, возникает резонанс и появляется сильнейший отклик. Фактически они первыми смогли обнаружить на поверхности другого материала отдельные атомы кремния. Очевидно, что аналогичным методом можно работать с другими материалами, изучая на практике то, что было известно только по теоретическим выкладкам.

«У нас есть ряд открытых проектов, где мы используем эту технику с большим количеством материалов и с более экзотическими материалами, — говорят авторы. — По сути, мы внедряем её во всё, что делаем, и используем как стандартную технику».

«Эти наноскопические материалы — будущее полупроводников, — резюмируют исследователи. — Когда у вас есть наноразмерная электроника, действительно важно убедиться, что электроны могут двигаться так, как вы хотите».