Bidang elektromagnetik permukaan dipetakan dalam 3D pada skala nano

Peta tiga dimensi pertama dari medan elektromagnetik yang “menempel” pada permukaan kubus berukuran kurang dari 200 nm memberikan gambaran baru tentang bagaimana material menghilangkan panas pada skala nano. Gambar-gambar tersebut, yang diperoleh oleh para peneliti di Perancis dan Austria, mengungkapkan adanya eksitasi mirip foton inframerah yang dikenal sebagai polariton fonon permukaan di dekat permukaan kubus – sebuah fenomena yang mungkin dimanfaatkan untuk membuang panas limbah dari komponen nanoelektronik dan mendinginkannya.

Fonon adalah eksitasi getaran kolektif mirip partikel (atau getaran atom) yang terjadi pada padatan ionik. Mereka menimbulkan medan listrik yang berosilasi, yang berpasangan dengan foton pada permukaan benda padat untuk menciptakan polariton fonon permukaan (SPhPs). Gabungan eksitasi vibrasi dan fotonik ini hanya ditemukan pada permukaan benda dan oleh karena itu biasanya kurang penting dalam material curah. Namun, pengaruhnya meningkat secara dramatis seiring dengan menyusutnya objek dan rasio permukaan terhadap volumenya meningkat.

SPhP juga memusatkan energi elektromagnetik pada rentang panjang gelombang inframerah menengah (3 hingga 8 mm) hingga inframerah jauh (15 hingga 1000 mm). Properti ini memungkinkan untuk menggunakannya dalam aplikasi seperti spektroskopi molekul yang ditingkatkan (Raman).

Memvisualisasikan bidang dekat

Semua aplikasi tersebut bergantung pada medan elektromagnetik berstrukturnano yang ada pada permukaan metamaterial atau nanopartikel. Namun, memvisualisasikan apa yang disebut medan dekat ini terbukti sulit. Teknik perintis seperti spektroskopi kehilangan energi elektron (EELS), yang bekerja dengan mengukur energi yang hilang elektron saat bertemu dengan medan permukaan ini, hanya dapat menghasilkan garis 2D. Teknik lain menggunakan algoritma rekonstruksi canggih yang dikombinasikan dengan EELS untuk menghasilkan gambar 3D lapangan, namun sebelumnya dibatasi pada panjang gelombang tampak.

Dalam karya baru, Mathieu Kociak dan rekan-rekan dari CNRS/Université Paris-Saclay, bersama dengan Gerald Kothleitner dari Graz University of Technology, menggabungkan model komputer dengan teknik yang disebut pencitraan spektral tomografi EELS untuk menggambarkan bidang 3D yang mengelilingi nanokristal magnesium oksida (MgO). Untuk melakukan hal ini, mereka menggunakan mikroskop elektron scanning-tunnelling (STEM) generasi baru yang dikembangkan untuk spektromikroskopi elektron dan foton yang dapat menyelidiki sifat optik suatu materi dengan energi sangat tinggi dan resolusi spasial. Instrumen (NION Hermes 200 yang dimodifikasi disebut “Chromatem”) menyaring berkas elektron 60-keV dengan monokromator untuk menghasilkan berkas dengan resolusi energi antara 7 hingga 10 meV.

Teknik memiringkan

Dengan memindai berkas elektron ini pada sampel mereka, Kociak, Kothleitner dan rekannya mengumpulkan gambar medan gelap annular sudut tinggi yang mengungkapkan bentuk nanocube MgO. Mereka kemudian memiringkan sampel pada berbagai sudut, mencitrakan kubus dalam orientasi berbeda dan mencatat spektrum EELS pada setiap posisi pemindaian. Terakhir, mereka menggunakan teknik rekonstruksi gambar untuk menghasilkan gambar 3D dari bidang yang mengelilingi kristal.

Polariton fonon permukaan meningkatkan perpindahan panas

Pendekatan baru, yang mereka jelaskan di Ilmu, pada akhirnya akan memungkinkan untuk menargetkan titik-titik tertentu pada kristal dan mengukur perpindahan panas lokal di antara titik-titik tersebut. Karena banyak objek nano menyerap cahaya inframerah selama perpindahan panas, teknik ini juga harus menyediakan gambar 3D dari transfer tersebut. “Ini adalah salah satu jalan eksplorasi untuk mengoptimalkan pembuangan panas pada komponen-komponen kecil yang digunakan dalam nanoelektronik,” kata para peneliti.

Tim tersebut sekarang berencana menerapkan tekniknya untuk mempelajari struktur nano yang lebih rumit. Namun, Kociak menceritakan Dunia Fisika bahwa “beberapa aspek teoretis masih perlu dipahami lebih baik” sebelum hal ini dapat dilakukan.

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