Un seul nanofil de GaN est retiré d'une « forêt » de fils cultivés par épitaxie par faisceau moléculaire. Cliquez sur l'image pour un agrandissement montrant le nanofil placé dans un trou percé dans une sonde AFM. Les deux images sont en fausses couleurs pour plus de clarté.
(Phys.org) —En réponse aux demandes de l'industrie des semi-conducteurs, une équipe de chercheurs de PML a démontré que les pointes de sonde de microscope à force atomique (AFM) fabriquées à partir de ses nanofils de nitrure de gallium presque parfaits sont supérieures à bien des égards aux pointes de silicium ou de platine standard dans les mesures d'une importance critique pour la fabrication de micropuces, nanobiotechnologie, et d'autres efforts.
En outre, les scientifiques ont inventé un moyen d'utiliser simultanément les pointes des nanofils en tant que LED pour éclairer une minuscule région d'échantillon avec un rayonnement optique pendant le balayage, ajoutant une toute nouvelle dimension à la caractérisation des matériaux et dispositifs nanoélectroniques.
Par lui-même, un AFM fournit des informations topographiques à une résolution nanométrique lorsque sa pointe de sonde - dans la plage de 100 nm de large et suspendue à un bras en porte-à-faux - balaie la surface d'un échantillon. Lorsque la pointe est utilisée en même temps pour transmettre et recevoir en continu un signal hyperfréquence, le système devient capable de révéler des concentrations de porteurs de charge ou des emplacements de défauts dans des régions spécifiques de matériaux et de dispositifs à l'échelle nanométrique.
Cette technique, appelée microscopie micro-ondes à balayage en champ proche (NSMM), n'avait jamais été tenté auparavant à l'aide d'une sonde à nanofil. Mais comme l'équipe l'a montré dans un article récent dans Applied Physics Letters, Les pointes de sonde nanofil ont largement surpassé les pointes Pt commerciales en termes de résolution et de durabilité.
"Un gros problème pour les sondes en platine, " dit Kris Bertness, Chef de Projet Métrologie et Synthèse de Nanostructures 3D au sein de la Division Electronique Quantique et Photonique, « est-ce que si vous les déformez ne serait-ce qu'un petit peu, et leur forme change, votre calibrage est perdu. Parce qu'ils sont couplés capacitivement à l'échantillon, la forme est tout.
"Par contre, nos pointes de sonde nanofil ont une durée de vie d'étalonnage environ 10 fois plus longue que n'importe quelle pointe commerciale. Nous ne voyons aucune usure visible après avoir effectué des dizaines de scans, alors que le platine se déforme, perte de résolution et d'étalonnage, après cinq à dix scans." Dans une série de 12 scans, le rayon de la pointe du Pt est passé de ~ 50 nm à ~ 150 nm. Le nanofil, cependant, a conservé ses dimensions d'origine. De plus, les pointes GaN présentaient une sensibilité améliorée et une incertitude réduite par rapport à une pointe Pt commerciale.
L'éclairage d'un échantillon NSMM avec un laser conventionnel fait entrer la lumière sous un angle et augmente considérablement l'espace occupé par l'appareil.
Le NSMM peut produire une imagerie très détaillée de la densité locale de porteurs de charge positifs et négatifs à l'intérieur d'une nanostructure - une information d'une grande importance pratique pour les fabricants de micro-dispositifs - et les scientifiques de la division électromagnétique de PML ont fait des progrès notables dans la technique. Ils pensent que l'utilisation de sondes à nanofils, en conjonction avec l'arrivée récente d'un tout nouveau, sur mesure, instrument NSMM à quatre sondes, révélera de nouveaux aspects de la composition et des performances des nanostructures. Dans les matières biologiques, il pourrait localiser la fixation d'agents chimiques ou de particules liées à une cellule, et aide à l'étude de la dynamique des protéines.
Le déploiement d'un nanofil comme pointe de sonde semble d'une simplicité trompeuse. Les chercheurs obtiennent un cantilever et une sonde AFM conventionnels, supprimer la pointe existante, et utilisez un appareil appelé faisceau d'ions focalisé pour percer un trou d'environ 5 micromètres de profondeur dans le support de pointe. Puis, à l'aide d'un minuscule manipulateur, ils cassent un seul nanofil d'une "forêt" d'entre eux cultivés par épitaxie par faisceau moléculaire, insérer le fil dans le trou, et soudez-le en place. Finalement, le fil est recouvert de fines couches de titane (20 nm) et d'aluminium (200 nm) afin de conduire le signal hyperfréquence jusqu'au bout de la pointe et retour.
Les chercheurs ont testé leur pointe contre une pointe en silicone, une pointe de platine, et un nanofil de GaN non revêtu, dont chacun a été balayé à travers un réseau de microcondensateurs de différentes tailles. Le nanofil revêtu s'est avéré environ deux fois plus sensible que la sonde Pt, et quatre fois plus sensible que les autres, avec des performances mécaniques supérieures. "Cela peut être extrêmement important pour caractériser la prochaine génération de dispositifs électroniques et optoélectroniques avancés, " dit Bertness. À l'heure actuelle, seules quelques sondes GaN peuvent être fabriquées à la fois, mais l'équipe travaille à développer des idées pour les produire en quantités à l'échelle d'une plaquette.
À la fois, les chercheurs s'apprêtent à tester une nouvelle technologie pour laquelle ils ont obtenu un brevet en juillet, 2013 :Utilisation de la pointe du nanofil comme source lumineuse en la dopant pour qu'elle fonctionne comme une LED. Le rayonnement optique peut servir à exciter l'échantillon d'une manière différente du signal hyperfréquence, et les scientifiques utilisent déjà des lasers pour illuminer des échantillons à l'échelle nanométrique lors des balayages AFM.
"Le problème avec cette approche, " déclare Pavel Kabos, chercheur chevronné du NSMM du programme Advanced High-Frequency Devices de la division Electromagnetics de PML, "est que le laser doit briller de côté. En conséquence, vous obtenez des ombres portées et une incertitude importante quant à la zone exacte éclairée. Et, bien sûr, le laser et son montage prennent beaucoup de place.
"Avec le nouveau design, l'éclairage sera appliqué directement sur la pointe de la sonde au même endroit sur l'échantillon qui est exposé au signal micro-ondes. Cela pourrait être particulièrement bénéfique pour caractériser les matériaux photovoltaïques où vous pourriez appliquer une lumière et obtenir la concentration en porteurs en même temps. L'ensemble peut être beaucoup plus petit, et la source lumineuse nanométrique permet d'injecter très localement certains porteurs, d'une manière que vous ne pouvez pas faire avec d'autres méthodes. "Afin de rechercher la prochaine génération de matériaux photovoltaïques, Bertness dit, « nous avons utilisé l'éclairage par projecteur. Mais ce que nous voulons voir, c'est comment les grains individuels réagissent à la lumière. La technique LED peut rendre cela possible. Dans les applications biologiques, nous nous attendons à ce qu'il fournisse une amélioration d'un ordre de grandeur dans la capacité d'étudier des processus tels que la dynamique des protéines."
Le nouveau, L'instrument NSMM à quatre sondes a quatre pointes, permettant des comparaisons simultanées de matériaux. Les sondes sont enfermées dans une chambre à ultra-vide pour minimiser les interférences et la contamination.
Atteindre cet objectif nécessitera davantage de recherches sur la façon de doper les nanofils de GaN afin d'augmenter l'efficacité du rendement lumineux, et comment coordonner et intégrer les mesures topographiques, four micro onde, et les modalités optiques.
Mais Bertness est optimiste. « Il a fallu dix ans de travail acharné pour apprendre à fabriquer et à caractériser ces matériaux, et nous avons développé de nombreuses techniques de métrologie importantes en cours de route. Mais nous n'étions vraiment pas en mesure de tester les nanofils comme pointes de sonde jusqu'à il y a quelques mois, lorsque l'installation d'imagerie de précision du laboratoire de Boulder a obtenu un faisceau d'ions focalisé. Ces premiers résultats nous donnent confiance que cette technologie aura un impact sur un large éventail de problèmes scientifiques et technologiques où la connaissance des propriétés des matériaux à l'échelle micrométrique et nanométrique est cruciale, de l'électronique des semi-conducteurs à la biochimie et à la médecine."
