Pinna elektromagnetväljad kaardistatud 3D-s nanomõõtmes

Esimene elektromagnetvälja kolmemõõtmeline kaart, mis "kleepub" alla 200 nm läbimõõduga kuubi pinnale, annab värske valguse sellele, kuidas materjalid nanoskaalas soojust hajutavad. Prantsusmaa ja Austria teadlaste saadud kujutised näitavad infrapuna-footonitaoliste ergastuste olemasolu, mida tuntakse pinna foononi polaritonidena kuubi pinna lähedal – nähtust, mida võidakse ära kasutada jääksoojuse nanoelektroonilistest komponentidest eemale viimiseks ja nende jahutamiseks.

Fonoonid on osakeste sarnased kollektiivsed vibratsioonilised ergastused (või aatomivõnked), mis esinevad ioonsetes tahketes ainetes. Need põhjustavad võnkuvaid elektrivälju, mis seostuvad tahke aine pinnal footonitega, moodustades pinna fononpolaritonid (SPhP). Neid vibratsiooni- ja fotooniliste ergastuste hübriide leidub ainult objekti pinnal ja seetõttu pole neil puistematerjalide puhul tavaliselt tähtsust. Kuid nende mõju suureneb dramaatiliselt, kui objektid vähenevad ja nende pinna ja ruumala suhe suureneb.

SPhP-d koondavad elektromagnetilise energia ka keskmise infrapuna (3–8 mm) kuni kauge infrapuna (15–1000 mm) lainepikkuse vahemikku. See omadus võib võimaldada nende kasutamist sellistes rakendustes nagu molekulide täiustatud (Ramani) spektroskoopia.

Lähivälja visualiseerimine

Kõik sellised rakendused sõltuvad nanostruktureeritud elektromagnetväljast, mis eksisteerib metamaterjalide või nanoosakeste pindadel. Selle nn lähivälja visualiseerimine on aga osutunud keeruliseks. Sellised teedrajavad tehnikad nagu elektronide energiakao spektroskoopia (EELS), mis mõõdab energiat, mida elektronid nende pinnaväljadega kokku puutudes kaotavad, suudavad luua ainult 2D piirjooni. Teised tehnikad kasutavad väljast 3D-kujutiste loomiseks keerukaid rekonstrueerimisalgoritme koos EELS-iga, kuid need olid varem piiratud nähtavate lainepikkustega.

Uues teoses Mathieu Kociak ja kolleegid CNRS/Université Paris-Saclayst koos Gerald Kothleitner Grazi Tehnikaülikooli teadlane ühendas arvutimudelid tehnikaga, mida nimetatakse tomograafiliseks EELS spektraalkujutiseks, et kujutada magneesiumoksiidi (MgO) nanokristalli ümbritsevat 3D-välja. Selleks kasutasid nad elektron- ja footonspektromikroskoopia jaoks välja töötatud uue põlvkonna skaneerivat tunnel-elektronmikroskoopi (STEM), mis suudab ülikõrge energia ja ruumilise eraldusvõimega mõõta aine optilisi omadusi. Seade (modifitseeritud NION Hermes 200 nimega "Chromatem") filtreerib monokromaatoriga 60 keV elektronkiire, et tekitada kiir, mille energialahutus on vahemikus 7 kuni 10 meV.

Kallutamise tehnika

Skaneerides seda elektronkiirt üle oma proovi, kogusid Kociak, Kothleitner ja kolleegid suure nurga all olevaid rõngakujulisi tumeda välja pilte, mis paljastasid MgO nanokuubi kuju. Seejärel kallutasid nad proovi erinevate nurkade all, pildistasid kuubi erinevates suundades ja registreerisid igas skannimisasendis EELS-spektri. Lõpuks kasutasid nad kristalli ümbritsevast väljast 3D-kujutiste loomiseks kujutise rekonstrueerimise tehnikaid.

Pinna foononi polaritonid suurendavad soojusülekannet

Uus lähenemisviis, mida nad kirjeldavad teadus, võimaldab lõpuks sihtida kristalli kindlaid punkte ja mõõta nende vahel paiknevat soojusülekannet. Kuna paljud nanoobjektid neelavad soojusülekande ajal infrapunavalgust, peaks tehnika pakkuma ka sellistest ülekannetest 3D-kujutisi. "See on üks uurimisvõimalusi soojuse hajumise optimeerimiseks nanoelektroonikas kasutatavates üha väiksemates komponentides," ütlevad teadlased.

Meeskond kavatseb nüüd rakendada oma tehnikat keerukamate nanostruktuuride uurimiseks. Kociak aga räägib Füüsika maailm et "mõned teoreetilised aspektid tuleb veel paremini mõista", enne kui see on võimalik.

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