激光精密揭示单原子半导体的秘密主题：成像

物理学家开发了一种突破性技术，利用高分辨率显微镜和超快激光精确识别半导体中的缺陷。

这种新方法在纳米级组件中特别有效，使得观察原子缺陷周围电子运动的细节前所未有地清晰，大大推动了半导体物理领域的发展，并为像石墨烯这样的材料带来了新的可能性。

先进的半导体分析

将越来越智能和强大的电子设备装入不断缩小的设备中的一个挑战是开发能够以越来越精细的精度分析其组成材料的工具和技术。

密歇根州立大学的物理学家在这方面迈出了期待已久的一步，他们采用了一种结合高分辨率显微镜和超快激光的方法。

这种技术在《自然光子学》杂志上进行了描述，使研究人员能够以无与伦比的精度发现半导体中的错配原子。半导体物理学将这些原子称为“缺陷”，这个词听起来很负面，但实际上这些原子通常是有意添加到材料中的，对于今天及未来设备中半导体的性能至关重要。

“这对于具有纳米级结构的组件尤为重要，”新研究的领导者、实验物理学的Jerry Cowen讲席教授Tyler Cocker说。

密歇根州立大学的超快太赫兹纳米显微镜实验室

纳米级材料的进展

这包括像计算机芯片这样的东西，这些芯片经常使用具有纳米级特征的半导体。研究人员正在努力将纳米级架构推向极限，工程材料厚度仅为一个原子。

“这些纳米级材料是半导体的未来，”同时领导密歇根州立大学物理与天文学系超快太赫兹纳米显微镜实验室的Cocker说。“当你拥有纳米级电子设备时，确保电子能够按照你的意愿移动非常重要。”

缺陷在电子运动中起着重要作用，这就是为什么像Cocker这样的科学家急于精确了解它们的位置和行为。Cocker的同行们对他团队的新技术感到兴奋，因为它能让他们轻松获取这些信息。

“我的一个同事说，‘我希望你们出去庆祝了，’”Cocker说。

Vedran Jelic是这项研究的第一作者，他在Cocker的团队中担任博士后研究员，现在在加拿大国家研究委员会工作。研究团队还包括博士生Stefanie Adams、Eve Ammerman和Mohamed Hassan，以及本科生研究员Kaedon Cleland-Host。

Cocker补充说，这项技术在有合适设备的情况下很容易实施，他的团队已经在将其应用于像石墨烯纳米带这样的原子薄材料。

“我们有许多开放项目，使用这种技术与更多材料和更奇特的材料进行合作，”Cocker说。“我们基本上将其纳入我们所做的一切，并将其作为标准技术使用。”

创新的显微技术

目前已有工具，特别是扫描隧道显微镜（STM），可以帮助科学家发现单原子缺陷。

与许多人在高中科学课上认识的显微镜不同，STM不使用透镜和灯泡来放大物体。相反，STM使用原子级尖端扫描样品表面，几乎就像唱片播放器上的唱针一样。

但STM探针并不接触样品表面，它只是靠得足够近，以至于电子可以在探针和样品之间跳跃或隧穿。

STM记录跳跃的电子数量及其来源等信息，以提供样品的原子级信息（因此Cocker的实验室称其为纳米显微技术而不是显微技术）。

但STM数据本身并不足以清晰地解析样品中的缺陷，特别是在砷化镓这种重要的半导体材料中，这种材料存在于雷达系统、高效太阳能电池和现代电信设备中。

在他们的最新出版物中，Cocker和他的团队专注于含有故意注入硅缺陷原子的砷化镓样品，以调节电子在半导体中的移动方式。

缺陷的发现和验证

“硅原子对电子来说基本上看起来像一个深坑，”Cocker说。

尽管理论家们已经研究这种缺陷几十年，但实验人员直到现在还无法直接检测到这些单个原子。

Cocker和他的团队的新技术仍然使用STM，但研究人员还在STM探针上照射激光脉冲。

这些脉冲由太赫兹频率的光波组成，这意味着它们每秒抖动一万亿次。最近，理论家们已经表明，这与硅原子缺陷在砷化镓样品中的抖动频率相同。

通过将STM和太赫兹光结合，密歇根州立大学团队创建了一个对缺陷具有无与伦比灵敏度的探测器。

当STM探针接触到砷化镓表面上的硅缺陷时，测量数据中出现了突然的强烈信号。当研究人员将探针移动到离缺陷一个原子的位置时，信号消失了。

“这是人们寻找了四十多年的缺陷，我们能看到它像钟一样响起，”Cocker说。

理论和实际成就

“起初很难相信，因为它太明显了，”他继续说道。“我们不得不以各种方式测量它，以确定这是真的。”

一旦他们确信信号是真的，解释起来就很容易了，因为已经有几十年的理论研究对其进行了详细描述。

“当你发现这样的东西时，已经有几十年的理论研究对其进行了彻底的描述，这真的很有帮助，”Jelic说，他与Cocker一样也是新论文的通讯作者。

尽管Cocker的实验室在这一领域处于前沿，但世界各地的研究小组目前也在结合STM和太赫兹光。还有各种其他材料可以从这种技术中受益，应用范围超出了检测缺陷的范畴。

现在他的团队已经与社区分享了这种方法，Cocker对其他发现充满期待。