Επιφανειακά ηλεκτρομαγνητικά πεδία χαρτογραφημένα σε 3D σε νανοκλίμακα

Ο πρώτος τρισδιάστατος χάρτης του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου που «κολλάει» στην επιφάνεια ενός κύβου διαμέτρου μικρότερου των 200 nm ρίχνει ένα νέο φως στο πώς τα υλικά διαχέουν τη θερμότητα σε νανοκλίμακα. Οι εικόνες, που ελήφθησαν από ερευνητές στη Γαλλία και την Αυστρία, αποκαλύπτουν την παρουσία υπέρυθρων φωτονίων-διεγέρσεων γνωστών ως επιφανειακών φωνονίων πολαριτόνων κοντά στην επιφάνεια του κύβου – ένα φαινόμενο που μπορεί να εκμεταλλευτεί για να μεταφέρει την απορριπτόμενη θερμότητα μακριά από τα νανοηλεκτρονικά συστατικά και έτσι να τα ψύχει.

Τα φωνόνια είναι συλλογικές δονητικές διεγέρσεις που μοιάζουν με σωματίδια (ή ατομικές δονήσεις) που συμβαίνουν στα ιοντικά στερεά. Δημιουργούν ταλαντευόμενα ηλεκτρικά πεδία, τα οποία συνδέονται με φωτόνια στην επιφάνεια του στερεού για να δημιουργήσουν επιφανειακά φωνονικά πολάρια (SPhPs). Αυτά τα υβρίδια δονήσεων και φωτονικών διεγέρσεων βρίσκονται μόνο στην επιφάνεια ενός αντικειμένου και επομένως είναι τυπικά μικρής σημασίας στα χύδην υλικά. Ωστόσο, η επιρροή τους αυξάνεται δραματικά καθώς τα αντικείμενα συρρικνώνονται και η αναλογία επιφάνειας προς όγκο αυξάνεται.

Τα SPhP συγκεντρώνουν επίσης την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια στο εύρος μήκους κύματος του μεσαίου υπέρυθρου (3 έως 8 mm) έως το μακρινό υπέρυθρο (15 έως 1000 mm). Αυτή η ιδιότητα μπορεί να καταστήσει δυνατή τη χρήση τους σε εφαρμογές όπως η ενισχυμένη (Raman) φασματοσκοπία μορίων.

Οπτικοποίηση του κοντινού πεδίου

Όλες αυτές οι εφαρμογές εξαρτώνται από το νανοδομημένο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που υπάρχει στις επιφάνειες των μεταϋλικών ή των νανοσωματιδίων. Ωστόσο, η οπτικοποίηση αυτού του λεγόμενου κοντινού πεδίου έχει αποδειχθεί δύσκολη. Πρωτοποριακές τεχνικές όπως η φασματοσκοπία απώλειας ενέργειας ηλεκτρονίων (EELS), η οποία λειτουργεί με τη μέτρηση της ενέργειας που χάνουν τα ηλεκτρόνια όταν συναντούν αυτά τα επιφανειακά πεδία, μπορούν να παράγουν μόνο 2D περιγράμματα. Άλλες τεχνικές χρησιμοποιούν εξελιγμένους αλγόριθμους ανακατασκευής σε συνδυασμό με το EELS για τη δημιουργία τρισδιάστατων εικόνων του πεδίου, αλλά προηγουμένως περιορίζονταν σε ορατά μήκη κύματος.

Στη νέα δουλειά, Ματιέ Κότσιακ και συναδέλφους από το CNRS/Université Paris-Saclay, μαζί με Gerald Kothleitner του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου του Γκρατς, συνδύασε μοντέλα υπολογιστή με μια τεχνική που ονομάζεται τομογραφική φασματική απεικόνιση EELS για την απεικόνιση του τρισδιάστατου πεδίου που περιβάλλει έναν νανοκρυστάλλο οξειδίου του μαγνησίου (MgO). Για να γίνει αυτό, χρησιμοποίησαν ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης-σήραγγας νέας γενιάς (STEM) που αναπτύχθηκε για φασματοσκοπία ηλεκτρονίων και φωτονίων που μπορεί να ανιχνεύσει τις οπτικές ιδιότητες της ύλης με εξαιρετικά υψηλή ενέργεια και χωρική ανάλυση. Το όργανο (ένα τροποποιημένο NION Hermes 3 που ονομάζεται "Chromatem") φιλτράρει μια δέσμη ηλεκτρονίων 200-keV με ένα μονοχρωμάτορα για να παράγει μια δέσμη με ενεργειακή ανάλυση μεταξύ 60 και 7 meV.

Τεχνική κλίσης

Σαρώνοντας αυτή τη δέσμη ηλεκτρονίων σε όλο το δείγμα τους, ο Kociak, ο Kothleitner και οι συνεργάτες του συνέλεξαν εικόνες υψηλής γωνίας δακτυλιοειδούς σκοτεινού πεδίου που αποκάλυψαν το σχήμα του νανοκύβου MgO. Στη συνέχεια έγειραν το δείγμα σε διάφορες γωνίες, απεικόνισαν τον κύβο σε διαφορετικούς προσανατολισμούς και κατέγραψαν ένα φάσμα EELS σε κάθε θέση σάρωσης. Τέλος, χρησιμοποίησαν τεχνικές ανακατασκευής εικόνας για να δημιουργήσουν τρισδιάστατες εικόνες του πεδίου που περιβάλλει τον κρύσταλλο.

Τα επιφανειακά φωνονικά πολάρια ενισχύουν τη μεταφορά θερμότητας

Η νέα προσέγγιση, την οποία περιγράφουν Επιστήμη, θα επιτρέψει τελικά τη στόχευση συγκεκριμένων σημείων στον κρύσταλλο και τη μέτρηση της τοπικής μεταφοράς θερμότητας μεταξύ τους. Δεδομένου ότι πολλά νανο-αντικείμενα απορροφούν το υπέρυθρο φως κατά τη μεταφορά θερμότητας, η τεχνική θα πρέπει επίσης να παρέχει τρισδιάστατες εικόνες τέτοιων μεταφορών. «Αυτή είναι μια οδός εξερεύνησης για τη βελτιστοποίηση της απαγωγής θερμότητας στα όλο και πιο μικρά εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται στη νανοηλεκτρονική», λένε οι ερευνητές.

Η ομάδα σχεδιάζει τώρα να εφαρμόσει την τεχνική της για να μελετήσει πιο περίπλοκες νανοδομές. Ωστόσο, λέει ο Kociak Κόσμος Φυσικής ότι «ορισμένες θεωρητικές πτυχές πρέπει ακόμη να γίνουν καλύτερα κατανοητές» προτού αυτό είναι δυνατό.

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