Felületi elektromágneses mezők 3D-ben nanoméretben

Az elektromágneses mező első háromdimenziós térképe, amely egy 200 nm-nél kisebb átmérőjű kocka felületéhez „tapad”, új megvilágításba helyezi azt, hogy az anyagok hogyan disszipálják a hőt nanoméretben. A franciaországi és ausztriai kutatók által készített képek infravörös fotonszerű gerjesztések, úgynevezett felületi fononpolaritonok jelenlétét tárják fel a kocka felszíne közelében – ezt a jelenséget kihasználva a hulladékhőt elvezetik a nanoelektronikai alkatrészekről, és így lehűthetik azokat.

A fononok részecskeszerű kollektív rezgésgerjesztések (vagy atomi rezgések), amelyek ionos szilárd anyagokban fordulnak elő. Oszcilláló elektromos mezőket hoznak létre, amelyek a szilárd test felszínén fotonokkal párosulva felszíni fononpolaritonokat (SPhP) hoznak létre. A vibrációs és fotonikus gerjesztések e hibridjei csak a tárgy felületén találhatók meg, és így jellemzően csekély jelentőséggel bírnak az ömlesztett anyagokban. Hatásuk azonban drámaian megnő, ahogy a tárgyak zsugorodnak, és a felület/térfogat arányuk nő.

Az SPhP-k az elektromágneses energiát a közép-infravörösben (3-8 mm) a távoli infravörös (15-1000 mm) hullámhossz-tartományig koncentrálják. Ez a tulajdonság lehetővé teheti azok alkalmazását olyan alkalmazásokban, mint például a molekulák továbbfejlesztett (Raman) spektroszkópiája.

A közeli mező megjelenítése

Minden ilyen alkalmazás a metaanyagok vagy nanorészecskék felületén létező nanostrukturált elektromágneses mezőtől függ. Ennek az úgynevezett közeli mezőnek a vizualizálása azonban nehéznek bizonyult. Az olyan úttörő technikák, mint az elektronenergia-veszteség spektroszkópia (EELS), amely az elektronok által ezekkel a felületi mezőkkel való találkozáskor elvesztett energia mérésén alapul, csak 2D körvonalakat tudnak létrehozni. Más technikák kifinomult rekonstrukciós algoritmusokat használnak az EELS-szel kombinálva a mező 3D-s képeinek előállítására, de ezek korábban a látható hullámhosszokra korlátozódtak.

Az új műben Mathieu Kociak és kollégái a CNRS/Université Paris-Saclay-ről, valamint Gerald Kothleitner A Grazi Műszaki Egyetemen a számítógépes modelleket a tomográfiás EELS spektrális képalkotásnak nevezett technikával kombinálták, hogy leképezzék a magnézium-oxid (MgO) nanokristályát körülvevő 3D mezőt. Ehhez új generációs pásztázó-alagút elektronmikroszkópot (STEM) használtak, amelyet elektron- és fotonspektromikroszkópiára fejlesztettek ki, amely ultranagy energiával és térbeli felbontással képes az anyag optikai tulajdonságait szondázni. A műszer (a módosított NION Hermes 200, az úgynevezett „Chromatem”) monokromátorral szűr egy 60 keV-os elektronnyalábot, hogy 7 és 10 meV közötti energiafelbontású nyalábot állítson elő.

Döntéstechnika

Kociak, Kothleitner és munkatársai a mintájukon ezt az elektronsugarat pásztázva nagy szögű, gyűrűs, sötét mezős képeket gyűjtöttek, amelyek felfedték az MgO nanokocka alakját. Ezután különböző szögekben megdöntötték a mintát, különböző tájolású képet alkottak a kockáról, és minden szkennelési pozícióban rögzítettek egy EELS spektrumot. Végül képrekonstrukciós technikákat alkalmaztak, hogy 3D-s képeket készítsenek a kristályt körülvevő mezőről.

A felületi fonon polaritonok fokozzák a hőátadást

Az új megközelítés, amit leírnak Tudomány, végül lehetővé teszi a kristály meghatározott pontjainak megcélzását és a közöttük lévő helyi hőátadás mérését. Mivel sok nanoobjektum elnyeli az infravörös fényt a hőátadás során, a technikának 3D-s képeket is kell biztosítania az ilyen átvitelekről. „Ez az egyik lehetőség a hőelvezetés optimalizálására a nanoelektronikában használt, egyre kisebb komponensekben” – mondják a kutatók.

A csapat most azt tervezi, hogy technikáját bonyolultabb nanostruktúrák tanulmányozására is alkalmazza. Kociak azonban elmondja Fizika Világa hogy „néhány elméleti szempontot még jobban meg kell érteni”, mielőtt ez lehetséges.

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