來自德國(guó)、美國(guó)和英國(guó)的一組物理學(xué)家近日設(shè)法在納米級(jí)空間分辨率下，觀察電子從一個(gè)原子薄層到相鄰層的運(yùn)動(dòng)情況。 這種全新的非接觸式納米顯微鏡概念在研究導(dǎo)電、非導(dǎo)電和超導(dǎo)材料方面具有巨大潛力，相關(guān)研究發(fā)表在最新的《 Nature Photonics 》中。

納米技術(shù)有時(shí)聽起來仍然像科幻小說，但已經(jīng)是我們計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)和汽車中現(xiàn)代電子產(chǎn)品不可或缺的一部分。晶體管和二極管等電子元件的尺寸已達(dá)到納米級(jí)，僅相當(dāng)于百萬分之一毫米。這使得傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡不再足以檢查這些納米結(jié)構(gòu)。

為了開發(fā)創(chuàng)新的未來納米技術(shù)，科學(xué)家們用更復(fù)雜的概念取代了光學(xué)顯微鏡，例如電子或掃描隧道顯微鏡。然而，這些技術(shù)使用電子而不是光，這會(huì)影響納米器件的特性。此外，這些重要的測(cè)量技術(shù)僅限于導(dǎo)電樣品。

來自雷根斯堡大學(xué)雷根斯堡超快納米研究中心 (RUN) 的 Rupert Huber 和 Jaroslav Fabian，聯(lián)合來自美國(guó)密歇根州立大學(xué)的 Tyler Cocker、英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的 Jessica Boland 共同介紹了一種新技術(shù)，它可以在不需要電接觸的情況下解決納米級(jí)的電子運(yùn)動(dòng)。

更優(yōu)秀的是，新方法還達(dá)到了令人難以置信的時(shí)間分辨率，達(dá)到了千萬億分之一秒(飛秒時(shí)間尺度)。結(jié)合這些極端的空間和時(shí)間分辨率，可以在納米尺度上記錄超快電子動(dòng)力學(xué)的慢動(dòng)作電影。

該技術(shù)背后的概念類似于非接觸式支付(芯片卡、電話、掃描儀)，自大流行開始以來，非接觸式支付已成為我們生活中越來越普遍的組成部分。這些支付方式基于宏觀尺度上的既定頻率和協(xié)議，例如近場(chǎng)通信 (NFC)。在這里，科學(xué)家們通過使用尖銳的金屬尖端作為納米天線將這一想法轉(zhuǎn)化為納米級(jí)，該天線靠近被研究的樣品。

與上述已建立的技術(shù)相比，尖端用于驅(qū)動(dòng)電流通過樣品，新概念使用弱交變電場(chǎng)以非接觸方式掃描樣品。實(shí)驗(yàn)中使用的頻率被提升到太赫茲光譜范圍，比 NFC 掃描儀中使用的頻率高約 100,000 倍。這些弱電場(chǎng)的微小變化允許對(duì)材料內(nèi)的局部電子運(yùn)動(dòng)得出準(zhǔn)確的結(jié)論。

將測(cè)量結(jié)果與現(xiàn)實(shí)的量子理論相結(jié)合，表明該概念甚至可以得到定量結(jié)果。為了另外實(shí)現(xiàn)高時(shí)間分辨率，物理學(xué)家使用極短的光脈沖來記錄電子在納米距離上運(yùn)動(dòng)的清晰快照。

該團(tuán)隊(duì)選擇了一種稱為過渡金屬二硫?qū)倩锏男虏牧项悇e的樣品作為他們的第一個(gè)測(cè)試樣品，該材料可以在原子級(jí)薄層中生產(chǎn)。當(dāng)這些片材以自由選擇的角度堆疊時(shí)，新的人造固體就會(huì)出現(xiàn)，具有新的材料特性，雷根斯堡合作研究中心 1277 對(duì)此進(jìn)行了突出研究。

正在研究的樣品由兩種不同的原子級(jí)薄二硫?qū)倩镏瞥?，以測(cè)試未來太陽能電池的核心部件。當(dāng)綠光照射到結(jié)構(gòu)上時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電荷載流子，根據(jù)它們的極性向一個(gè)或另一個(gè)方向移動(dòng)——這是將光轉(zhuǎn)化為電能的太陽能電池的基本原理。

科學(xué)家們?cè)跁r(shí)間和空間中都以納米精度觀察到了超快電荷分離。令他們驚訝的是，當(dāng)二硫?qū)倩飳酉衩阅愕靥阂粯痈采w在微小雜質(zhì)上時(shí)，電荷分離甚至可以可靠地進(jìn)行——這是優(yōu)化這些新材料以供未來用于太陽能電池或計(jì)算機(jī)芯片的重要見解。

關(guān)鍵詞： 分辨率 原子薄層 物理學(xué)家 電子