La nanofabrication d'appareils électroniques a atteint l'échelle nanométrique (10 ^-9 m). Les progrès rapides des nanosciences et des nanotechnologies nécessitent désormais une spectroscopie optique à l'échelle atomique afin de caractériser les structures atomistiques qui affecteront les propriétés et les fonctions des dispositifs électroniques.

L'équipe internationale dirigée par Takashi Kumagai à l'Institute for Molecular Science a découvert une énorme amélioration de la diffusion Raman médiée par la formation d'un point de contact atomique entre une pointe d'argent plasmonique et une surface reconstruite Si(111)-7×7. Ceci a été réalisé au moyen d'une spectroscopie Raman à pointe de pointe à basse température qui permet de réaliser une spectroscopie vibrationnelle à l'échelle atomique.

Le mécanisme d'amélioration découvert de la diffusion Raman ouvrira la possibilité d'une spectroscopie vibrationnelle ultrasensible à l'échelle atomique pour étudier les structures de surface des semi-conducteurs. En outre, la microscopie optique développée à l'échelle atomique ouvrira la voie à l'exploration des interactions lumière-matière à l'échelle atomique, menant à une nouvelle discipline en science et technologie de la lumière.

La super intégration des appareils électroniques est entrée dans une échelle nanométrique unique, appelant à des méthodes analytiques capables d'étudier en détail les structures et les défauts à l'échelle atomique. Les progrès de la microscopie optique à champ proche à balayage ont permis l'imagerie à l'échelle nanométrique et les analyses chimiques à l'échelle nanométrique. Plus récemment, la résolution spatiale de cette technique a été démontrée pour atteindre l'échelle atomique. En particulier, La spectroscopie Raman à pointe a attiré une attention croissante en tant que microscopie chimique ultrasensible. Cependant, afin d'obtenir un signal Raman à partir de surfaces semi-conductrices, il était nécessaire d'améliorer encore la sensibilité.

L'équipe de recherche a appliqué la spectroscopie Raman à pointe basse température à la pointe de la technologie, développé en collaboration avec l'Institut Fritz-Haber, pour obtenir les spectres de vibration à partir d'une surface de silicium. La spectroscopie Raman améliorée par pointe utilise une forte interaction lumière-matière entre un matériau et une lumière à l'échelle nanométrique (résonance plasmonique de surface localisée) générée au niveau d'une pointe métallique atomiquement pointue. L'équipe de recherche a découvert qu'une formation de contact ponctuel d'une pointe en argent et d'une surface Si(111)-7×7 reconstruite conduit à une énorme amélioration de la diffusion Raman. La figure 1a illustre l'expérience. Une pointe d'argent pointue fabriquée par faisceau d'ions focalisé (figure 1b, haut) est déplacé vers la surface du silicium (figure 1b, bas), tout en surveillant les spectres Raman depuis la jonction. La figure 1c affiche le tracé en cascade des spectres Raman obtenus, où l'axe horizontal le décalage Raman, et l'échelle de couleur l'intensité Raman. Lorsque la pointe est en régime tunnel, seul le mode phonon optique du silicium massif est observé à 520 cm ^-1 . Cependant, lorsque le point de contact atomique entre la pointe et la surface, la forte diffusion Raman provenant des modes de phonons de surface apparaît soudainement. Ces modes disparaissent à nouveau lorsque la pointe est éloignée de la surface et que le contact ponctuel atomique est rompu.

L'équipe de recherche a en outre démontré que cette spectroscopie Raman à contact ponctuel atomique (APCRS) peut résoudre les structures à l'échelle atomique de la surface du silicium. Comme le montre la figure 2, le spectre Raman est différent lorsqu'il est enregistré à un pas atomique de la surface. Par ailleurs, les modes de vibration caractéristiques peuvent être observés sélectivement sur le site localement oxydé (figure 3), indiquant la sensibilité chimique à l'échelle atomique de la spectroscopie Raman à point de contact atomique.

On pensait auparavant qu'un nanogap plasmonique est nécessaire pour obtenir la sensibilité ultra-élevée en spectroscopie Raman à pointe améliorée, qui nécessite généralement un substrat métallique. Cela imposait une limitation sévère aux échantillons mesurables. La découverte de l'énorme amélioration de Raman lors de la formation de contact ponctuel augmentera le potentiel de la spectroscopie de vibration à l'échelle atomique, qui est applicable aux échantillons non plasmoniques et la sensibilité chimique exceptionnelle sera obtenue pour de nombreux autres matériaux. En outre, nos résultats suggèrent également que les structures à l'échelle atomique jouent un rôle indispensable dans les nanosystèmes hybrides métal-semi-conducteur pour affecter leurs propriétés optoélectroniques.