Elektromagnetiske overfladefelter kortlagt i 3D på nanoskala

Det første tredimensionelle kort over det elektromagnetiske felt, der "klæber sig" til overfladen af ​​en terning mindre end 200 nm på tværs, kaster et nyt lys på, hvordan materialer spreder varme på nanoskala. Billederne, der er opnået af forskere i Frankrig og Østrig, afslører tilstedeværelsen af ​​infrarøde fotonlignende excitationer kendt som overfladefononpolaritoner nær kubens overflade - et fænomen, der kan udnyttes til at transportere spildvarme væk fra nanoelektroniske komponenter og så køle dem ned.

Fononer er partikellignende kollektive vibrationsexcitationer (eller atomvibrationer), der forekommer i ioniske faste stoffer. De giver anledning til oscillerende elektriske felter, som kobles med fotoner ved overfladen af ​​det faste stof for at skabe overfladefononpolaritoner (SPhP'er). Disse hybrider af vibrationelle og fotoniske excitationer findes kun på et objekts overflade og er derfor typisk af ringe betydning i bulkmaterialer. Imidlertid øges deres indflydelse dramatisk, når objekter krymper, og deres overflade-til-volumen-forhold øges.

SPhP'er koncentrerer også elektromagnetisk energi i det mellem-infrarøde (3 til 8 mm) op til det fjern-infrarøde (15 til 1000 mm) bølgelængdeområde. Denne egenskab kan gøre det muligt at bruge dem i applikationer såsom forbedret (Raman) spektroskopi af molekyler.

Visualisering af nærfeltet

Alle sådanne applikationer afhænger af det nanostrukturerede elektromagnetiske felt, der eksisterer på overfladerne af metamaterialer eller nanopartikler. Det har dog vist sig svært at visualisere dette såkaldte nærfelt. Banebrydende teknikker som elektronenergitabsspektroskopi (EELS), der fungerer ved at måle den energi, elektroner taber, når de møder disse overfladefelter, kan kun producere 2D-konturer. Andre teknikker bruger sofistikerede rekonstruktionsalgoritmer i kombination med EELS til at generere 3D-billeder af feltet, men disse var tidligere begrænset til synlige bølgelængder.

I det nye værk, Mathieu Kociak og kolleger fra CNRS/Université Paris-Saclay, sammen med Gerald Kothleitner fra Graz University of Technology, kombinerede computermodeller med en teknik kaldet tomografisk EELS spektral-billeddannelse for at afbilde 3D-feltet, der omgiver en nanokrystal af magnesiumoxid (MgO). For at gøre dette brugte de en ny generation af scanning-tunnelling elektronmikroskop (STEM) udviklet til elektron- og fotonspektromikroskopi, der kan sondere stofs optiske egenskaber med ultrahøj energi og rumlig opløsning. Instrumentet (en modificeret NION Hermes 200 kaldet et "Chromatem") filtrerer en 60-keV elektronstråle med en monokromator for at producere en stråle med en energiopløsning på mellem 7 til 10 meV.

Vippeteknik

Ved at scanne denne elektronstråle på tværs af deres prøve indsamlede Kociak, Kothleitner og kolleger højvinklede ringformede mørkefeltbilleder, der afslørede formen af ​​MgO nanokuben. De vippede derefter prøven i forskellige vinkler, afbildede kuben i forskellige orienteringer og optog et EELS-spektrum ved hver scanningsposition. Endelig brugte de billedrekonstruktionsteknikker til at generere 3D-billeder af feltet omkring krystallen.

Overflade phonon polaritoner øger varmeoverførslen

Den nye tilgang, som de beskriver i Videnskab, vil i sidste ende gøre det muligt at målrette specifikke punkter på krystallen og måle lokaliseret varmeoverførsel mellem dem. Da mange nanoobjekter absorberer infrarødt lys under varmeoverførsel, bør teknikken også give 3D-billeder af sådanne overførsler. "Dette er en udforskningsvej for at optimere varmeafledning i de stadigt mindre komponenter, der anvendes i nanoelektronik," siger forskerne.

Holdet planlægger nu at anvende sin teknik til at studere mere komplicerede nanostrukturer. Kociak fortæller dog Fysik verden at "nogle teoretiske aspekter stadig skal forstås bedre", før dette er muligt.

Kilde: https://physicsworld.com/a/surface-electromagnetic-fields-mapped-in-3d-at-the-nanoscale/