Schéma de principe de l'appareil NSMM.
(Phys.org)—La capacité du NIST à déterminer la composition et la physique des matériaux et dispositifs à l'échelle nanométrique est sur le point de s'améliorer considérablement avec l'arrivée d'un nouveau microscope à micro-ondes à balayage en champ proche (NSMM).
Le nom peut être une bouchée, mais les NSMM méritent chaque syllabe. Peu de techniques peuvent effectuer des mesures de résolution équivalente pour une si large gamme d'échantillons, y compris les semi-conducteurs, nanofil semi-conducteur, matériaux pour applications photovoltaïques, matériaux magnétiques, matériaux multiferroïques, et même des protéines et de l'ADN.
Chercheurs de la Division Electromagnétique de PML, en utilisant des NSMM commerciaux et artisanaux existants, ont été les pionniers de nombreuses applications, comprenant notamment la détermination de la distribution des dopants des semi-conducteurs (c'est-à-dire, concentrations en porteurs de charge) en 2D et 3D. Cette capacité est requise par une variété de technologies émergentes, comme l'électronique moléculaire, nanotubes de carbone, nanofils, graphène, et l'électronique à base de spin. Le nouvel instrument devrait accélérer considérablement ces progrès.
"Essentiellement, ce que nous faisons, c'est utiliser la résolution spatiale très fine des instruments à sonde à balayage tels que les microscopes à effet tunnel ou les microscopes à force atomique (AFM) et la combiner avec la compatibilité à large bande des mesures micro-ondes, " explique Mitch Wallis du Radio-Frequency Electronics Group. " Notre motivation est que nous voulons examiner des choses comme la résonance magnétique ou la résonance mécanique à l'échelle nanométrique en utilisant des micro-ondes. Si vous regardez votre téléphone portable ou votre ordinateur, ils fonctionnent tous dans la gamme de quelques gigahertz. Nous devons donc mesurer les objets à l'échelle nanométrique qui composent ces appareils pour comprendre comment ils fonctionnent à ces fréquences. Autrement, il sera beaucoup plus difficile de les intégrer dans des appareils commerciaux utiles."
Dans les grandes lignes, une configuration NSMM consiste en un microscope à force atomique combiné à un signal micro-ondes continu ou pulsé appliqué à la pointe de l'AFM. La pointe balaye l'échantillon dans un contact doux ou à une distance de quelques nanomètres au-dessus de la surface, émettre un signal hyperfréquence diffusé par le matériau, modifier sa fréquence, amplitude et autres propriétés. La nature du signal altéré qui retourne à la pointe - qui sert également d'antenne de réception - dépend de manière critique de variables telles que la perméabilité, permittivité, résistance de feuille, constante diélectrique, impédance, ou la manière dont la capacité change avec la tension, qui à leur tour sont déterminés par la composition physique de l'objet à l'étude.
PML "fait maison" NSMM, montré avec la pointe en équilibre au-dessus de la surface d'un échantillon de 2 cm de large.
"En mesurant le signal diffusé dépendant de la fréquence, on a, en effet, un autre bouton à tourner, " déclare le chercheur chevronné Pavel Kabos du programme Advanced High-Frequency Devices. " Et très récemment, nous avons pu examiner les propriétés locales d'échantillons dans des dimensions extrêmement petites, très proche du niveau d'une molécule unique.
Ceci est d'un intérêt intense, par exemple, aux concepteurs et fabricants de puces électroniques qui ont besoin de connaître le profil de dopage autour d'une grille, d'une source ou d'un drain de transistor dans une puce mémoire dynamique à accès aléatoire.
Les informations spatiales enregistrées par la pointe de balayage sont fusionnées avec les données du signal hyperfréquence de retour à chaque point dans une zone désignée (généralement quelques micromètres carrés) pour créer une image composite. Les NSMM peuvent être réglés pour produire des images à des profondeurs allant du sous-micromètre à 100 m sous la surface. "Donc, par exemple, si vous avez une fine couche de métal au-dessus de l'échantillon et un matériau piézoélectrique en dessous, vous pouvez voir ce qui arrive au matériau piézo à travers la tôle, " dit Kabos.
Il peut sembler contre-intuitif que des longueurs d'onde de l'ordre du centimètre à quelques millimètres puissent fournir une résolution à l'échelle du nanomètre. "C'est un peu un paradoxe, " Kabos dit, "jusqu'à ce que vous regardiez les dimensions impliquées. La pointe pointue de l'AFM ne mesure qu'environ 100 nanomètres de large, et il est positionné à seulement quelques nanomètres de la surface ou est en contact doux avec l'échantillon. C'est l'élévation de la pointe qui régit la résolution. La distance de la pointe est tellement plus petite que la longueur d'onde du signal que les effets de « champ proche » prédominent, permettant une résolution en nanomètres et très précise, mesures quantitatives."
Les chercheurs peuvent modifier à la fois la tension de la pointe et la fréquence des micro-ondes pour examiner différents aspects de l'échantillon. Par exemple, dans un article de 2012, Atif Imtiaz et les collègues de PML, avec des chercheurs du fabricant d'instruments Agilent Technologies, Inc., a montré comment le changement de la polarisation de pointe révèle la densité de porteurs locaux dans un semi-conducteur, et donc le profil dopant d'une région. "Selon le signe du biais appliqué à la pointe, les porteurs de charge dans le semi-conducteur sont attirés ou épuisés de la surface, former une région de charge d'espace, " écrivent les auteurs.
La plus grande des deux images alternées ci-dessus montre la topographie d'un faisceau de nanofils. La plus petite image est le même paquet, mais sans la portion dopée p. La position de la jonction p-n peut être estimée à partir de la différence.
Parce que la largeur de cette région est également fonction de la densité de porteurs, il fournit une mesure sensible de la composition de dopant. "Très récemment, " Kabos dit, "nous avons pu regarder dans une zone de 3 micromètres de large et voir comment le dopage est distribué à la jonction P-N, ainsi que de localiser la jonction avec précision."
Alternativement, changer la fréquence des micro-ondes révèle d'autres propriétés. "Le même matériau peut sembler très différent à 5, 7, ou 18 GHz, ", dit Kabos. "Nous pouvons donc non seulement déterminer le profil de dopage localement, mais aussi regarder les performances pour une fréquence donnée dans une région donnée."
Le nouvel appareil, prévu pour une arrivée à l'automne, offrira de nombreuses nouvelles capacités. Les instruments existants ont une seule pointe ouverte à l'air. Le nouveau NSMM a quatre conseils, permettant des comparaisons simultanées de matériaux, et il est enfermé dans une chambre à ultra-vide pour minimiser les interférences de signal et la contamination de l'échantillon. Il dispose également d'une chambre de préparation d'échantillons sous vide et d'un contrôle de la température d'environ 30 K à la température ambiante.
Entre autres utilisations, le nouvel instrument permettra aux chercheurs d'explorer beaucoup plus en détail les propriétés qui affectent l'adéquation de divers matériaux, fonctionnant à des fréquences micro-ondes, pour une utilisation dans l'électronique nanométrique et la bioélectronique, ainsi que les technologies émergentes pour les applications spintroniques ou phasiques dans des configurations mono et multicouches.
Les recherches futures porteront sur plusieurs domaines importants. L'un est le développement possible de matériaux de référence. Cet effort impliquera la création de modèles quantitatifs pour estimer les propriétés locales des matériaux et des dispositifs. Un autre domaine consiste à comparer et à analyser les changements résultant de différentes variables, combinant à la fois la spectroscopie dépendante de la tension et dépendante de la fréquence. Il y a un intérêt considérable, par exemple, à mesurer la dérivée de la phase entre le signal incident et le signal réfléchi provenant de la charge pointe-échantillon, ainsi que la dérivée actuellement mesurée de la capacité en fonction de la tension. Ces travaux pourraient apporter des améliorations significatives au rapport signal/bruit, améliorer la sensibilité aux concentrations d'eau dans les échantillons biologiques et potentiellement permettre l'imagerie de cellules biologiques vivantes dans une solution saline. Finalement, il est prévu de concevoir des configurations NSMM à deux et à plusieurs sondes capables de mesurer des éléments matriciels de diffusion hyperfréquence multiports complexes pour des études de transport à large bande de systèmes tels que la spintronique à haute fréquence et la nanoélectronique à base de carbone.
