3D-kartoitetut pinnan sähkömagneettiset kentät nanoskaalalla

Ensimmäinen kolmiulotteinen kartta sähkömagneettisesta kentästä, joka "tarttuu" alle 200 nm: n pituisen kuution pintaan, heittää tuoreen valon siihen, kuinka materiaalit hajottavat lämpöä nanoskaalalla. Ranskassa ja Itävallassa sijaitsevien tutkijoiden saamat kuvat paljastavat infrapunafotonin kaltaisten viritysten läsnäolon pinnan fononipolaritoneina lähellä kuution pintaa - ilmiötä, jota voidaan hyödyntää siirtämään hukkalämpö pois nanoelektronisista komponenteista ja jäähdyttämään ne niin.

Phononit ovat hiukkasten kaltaisia ​​kollektiivisia tärinähäiriöitä (tai atomivärähtelyjä), joita esiintyy ionisissa kiinteissä aineissa. Ne synnyttävät värähteleviä sähkökenttiä, jotka kytkeytyvät fotonien kanssa kiinteän aineen pinnalle muodostamaan pinnan phononipolaritoneja (SPhP). Näitä värähtely- ja fotonijännityshybridejä esiintyy vain kohteen pinnalla, joten niillä ei tyypillisesti ole juurikaan merkitystä irtomateriaaleissa. Niiden vaikutus kuitenkin kasvaa dramaattisesti esineiden kutistuessa ja niiden pinta-tilavuussuhde kasvaa.

SPhP: t keskittävät myös sähkömagneettisen energian keski-infrapunaan (3-8 mm) pitkälle infrapunan (15-1000 mm) aallonpituusalueelle. Tämän ominaisuuden avulla voi olla mahdollista käyttää niitä sovelluksissa, kuten molekyylien tehostettu (Raman) spektroskopia.

Lähikentän visualisointi

Kaikki tällaiset sovellukset riippuvat nanorakenteisesta sähkömagneettisesta kentästä, joka on metamateriaalien tai nanohiukkasten pinnoilla. Tämän niin kutsutun lähikentän visualisointi on kuitenkin osoittautunut vaikeaksi. Uraauurtavat tekniikat, kuten elektronien energian menetysspektroskopia (EELS), joka toimii mittaamalla menetetyt energiaelektronit, kun he kohtaavat nämä pintakentät, voivat tuottaa vain 2D-ääriviivoja. Muut tekniikat käyttävät kehittyneitä rekonstruointialgoritmeja yhdessä EELS: n kanssa kentän 3D-kuvien tuottamiseksi, mutta nämä rajoitettiin aiemmin näkyviin aallonpituuksiin.

Uudessa teoksessa Mathieu Kociak ja kollegat CNRS: stä / Université Paris-Saclaysta yhdessä Gerald Kothleitner Grazin teknillisestä yliopistosta, yhdistivät tietokonemallit tekniikalla, jota kutsutaan tomografiseksi EELS-spektrikuvantamiseksi, kuvaamaan 3D-kenttää, joka ympäröi magnesiumoksidin (MgO) nanokiteitä. Tätä varten he käyttivät uuden sukupolven pyyhkäisy-tunnelointielektronimikroskooppia (STEM), joka on kehitetty elektroni- ja fotonispektromikroskopiaan, joka voi tutkia aineen optiset ominaisuudet erittäin korkealla energialla ja spatiaalisella resoluutiolla. Instrumentti (muunnettu NION Hermes 200, nimeltään “Chromatem”) suodattaa 60 keV: n elektronisuihkun, jossa on yksivärinen kenno, joka tuottaa säteen, jonka energiaresoluutio on välillä 7-10 meV.

Kallistustekniikka

Skannaamalla tämän elektronisuihkun näytteestään Kociak, Kothleitner ja kollegat keräsivät korkean kulman rengasmaisia ​​pimeän kentän kuvia, jotka paljastivat MgO-nanokuution muodon. Sitten he kallistivat näytettä eri kulmiin, kuvasivat kuution eri suuntiin ja tallensivat EELS-spektrin kuhunkin skannausasemaan. Lopuksi he käyttivät kuvan rekonstruointitekniikoita 3D-kuvien luomiseen kiteen ympärillä olevasta kentästä.

Pinnan phononipolaritonit lisäävät lämmönsiirtoa

Uusi lähestymistapa, jota he kuvaavat tiede, lopulta tekee mahdolliseksi kohdistaa tiettyjä kohtia kiteelle ja mitata paikallista lämmönsiirtoa niiden välillä. Koska monet nano-objektit absorboivat infrapunavaloa lämmönsiirron aikana, tekniikan tulisi myös tuottaa 3D-kuvia tällaisista siirroista. "Tämä on yksi tutkimusmatka lämmöntuoton optimoimiseksi yhä pienemmissä komponenteissa, joita käytetään nanoelektroniikassa", tutkijat sanovat.

Tiimi aikoo nyt soveltaa tekniikkaansa monimutkaisempien nanorakenteiden tutkimiseen. Kociak kuitenkin kertoo Fysiikan maailma että "jotkut teoreettiset näkökohdat on vielä ymmärrettävä paremmin" ennen kuin se on mahdollista.

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