Fig.1 (a) Illustration schématique de la configuration de mesure. L'échantillon à couche mince C60 a une structure composée de plusieurs couches. (b) Instantanés de la dynamique des électrons obtenus sur la zone indiquée dans l'image STM du bas. Chaque instantané représente la distribution des électrons libres à 1, 3, 14, et 29 ps après l'excitation de l'impulsion IR. Le bas est l'image STM de la zone de mesure, et l'emplacement indiqué par la ligne pointillée dans l'image STM montre les étapes formées par les couches moléculaires. La couleur rouge (bleu) représente la zone avec une densité électronique plus élevée (inférieure). La densité électronique a diminué sur le côté supérieur des marches lorsque la couleur passe du rouge au bleu, tandis que les électrons sont restés même à 29 ps après l'excitation IR sur la face inférieure car la couleur reste rouge. Crédit :Université de Tsukuba
Une équipe de chercheurs de la Faculté des sciences pures et appliquées de l'Université de Tsukuba a filmé le mouvement ultrarapide des électrons avec une résolution spatiale sub-nanoscopique. Ce travail fournit un outil puissant pour étudier le fonctionnement des dispositifs à semi-conducteurs, ce qui peut conduire à des appareils électroniques plus efficaces.
La capacité de construire des smartphones et des puces informatiques toujours plus petits et plus rapides dépend de la capacité des fabricants de semi-conducteurs à comprendre comment les électrons qui transportent les informations sont affectés par les défauts. Cependant, ces mouvements se produisent à l'échelle du milliardième de seconde, et ils ne peuvent être vus qu'avec un microscope qui peut imager des atomes individuels. Cela peut sembler une tâche impossible, mais c'est exactement ce qu'une équipe de scientifiques de l'Université de Tsukuba a pu accomplir.
Le système expérimental se composait de molécules de carbone Buckminsterfullerene, qui ressemblent étrangement à des ballons de football cousus, disposées en une structure multicouche sur un substrat d'or. D'abord, un microscope à effet tunnel a été installé pour capturer les films. Pour observer le mouvement des électrons, une impulsion de pompe électromagnétique infrarouge a été appliquée pour injecter des électrons dans l'échantillon. Puis, après une temporisation définie, une seule impulsion térahertz ultrarapide a été utilisée pour sonder le lieu des élections. L'augmentation du délai a permis de capturer la prochaine « image » du film. Cette nouvelle combinaison de microscopie à effet tunnel et d'impulsions ultrarapides a permis à l'équipe d'atteindre pour la première fois une résolution spatiale sub-nanoscopique et une résolution temporelle proche de la picoseconde. « En utilisant notre méthode, nous avons pu voir clairement les effets des imperfections, comme une lacune moléculaire ou un trouble de l'orientation, " explique le premier auteur, le professeur Shoji Yoshida. La capture de chaque image n'a pris que deux minutes environ, ce qui permet de reproduire les résultats. Cela rend également l'approche plus pratique en tant qu'outil pour l'industrie des semi-conducteurs.
"Nous espérons que cette technologie aidera à ouvrir la voie à la prochaine génération d'électronique organique, ", déclare le professeur Hidemi Shigekawa, auteur principal. En comprenant les effets des imperfections, quelques postes vacants, impuretés, ou des défauts structurels peuvent être volontairement introduits dans des dispositifs pour contrôler leur fonction.
Fig.2 Dynamique électronique autour d'un défaut moléculaire mal orienté. (a) Image STM et instantanés obtenus sur une zone comprenant le défaut indiqué par la flèche blanche. Les instantanés montrent clairement que les électrons étaient toujours piégés dans le seul défaut brillant, même 63 ps après l'excitation par impulsion IR, comme indiqué en (b). Le défaut apparaît plus brillant que les autres molécules C60 en raison du piège des électrons au niveau du site moléculaire unique. Crédit :Université de Tsukuba
