Elektromagnetische oppervlaktevelden in kaart gebracht in 3D op nanoschaal

De eerste driedimensionale kaart van het elektromagnetische veld dat zich ‘vastklampt’ aan het oppervlak van een kubus met een doorsnede van minder dan 200 nm werpt een nieuw licht op de manier waarop materialen warmte op nanoschaal afvoeren. De beelden, verkregen door onderzoekers in Frankrijk en Oostenrijk, onthullen de aanwezigheid van infrarode fotonachtige excitaties die bekend staan ​​als oppervlaktefononpolaritonen nabij het oppervlak van de kubus – een fenomeen dat zou kunnen worden benut om afvalwarmte weg te transporteren van nano-elektronische componenten en deze zo af te koelen.

Fononen zijn deeltjesachtige collectieve trillingsexcitaties (of atomaire trillingen) die voorkomen in ionische vaste stoffen. Ze veroorzaken oscillerende elektrische velden, die zich koppelen aan fotonen aan het oppervlak van de vaste stof om oppervlaktefononpolaritonen (SPhP's) te creëren. Deze hybriden van vibratie- en fotonische excitaties worden alleen op het oppervlak van een object aangetroffen en zijn dus doorgaans van weinig belang in bulkmaterialen. Hun invloed neemt echter dramatisch toe naarmate objecten krimpen en hun oppervlakte-volumeverhouding toeneemt.

SPhP's concentreren ook elektromagnetische energie in het midden-infrarode (3 tot 8 mm) tot het ver-infrarode (15 tot 1000 mm) golflengtebereik. Deze eigenschap maakt het mogelijk om ze te gebruiken in toepassingen zoals verbeterde (Raman) spectroscopie van moleculen.

Het nabije veld visualiseren

Al dergelijke toepassingen zijn afhankelijk van het nanogestructureerde elektromagnetische veld dat bestaat aan de oppervlakken van metamaterialen of nanodeeltjes. Het visualiseren van dit zogenaamde nabije veld is echter moeilijk gebleken. Baanbrekende technieken zoals elektronen-energieverliesspectroscopie (EELS), die werkt door de energie te meten die elektronen verliezen wanneer ze deze oppervlaktevelden tegenkomen, kunnen alleen 2D-contouren produceren. Andere technieken maken gebruik van geavanceerde reconstructie-algoritmen in combinatie met EELS om 3D-beelden van het veld te genereren, maar deze waren voorheen beperkt tot zichtbare golflengten.

In het nieuwe werk Mathieu Kociak en collega's van de CNRS/Université Paris-Saclay, samen met Gerald Kothleitner van de Technische Universiteit van Graz combineerde computermodellen met een techniek genaamd tomografische EELS spectrale beeldvorming om het 3D-veld rond een nanokristal van magnesiumoxide (MgO) in beeld te brengen. Om dit te doen, gebruikten ze een nieuwe generatie scanning-tunnelling elektronenmicroscoop (STEM), ontwikkeld voor elektronen- en fotonenspectromicroscopie, die de optische eigenschappen van materie kan onderzoeken met ultrahoge energie en ruimtelijke resolutie. Het instrument (een gemodificeerde NION Hermes 200, een zogenaamde “Chromatem”) filtert een elektronenbundel van 60 keV met een monochromator om een ​​bundel te produceren met een energieresolutie tussen 7 en 10 meV.

Kanteltechniek

Door deze elektronenbundel over hun monster te scannen, verzamelden Kociak, Kothleitner en collega's ringvormige donkerveldbeelden onder een hoge hoek die de vorm van de MgO-nanokubus onthulden. Vervolgens kantelden ze het monster onder verschillende hoeken, brachten de kubus in verschillende oriëntaties in beeld en registreerden op elke scanpositie een EELS-spectrum. Ten slotte gebruikten ze beeldreconstructietechnieken om 3D-beelden te genereren van het veld rondom het kristal.

Fonon-polaritonen aan het oppervlak verhogen de warmteoverdracht

De nieuwe aanpak, die ze beschrijven in Wetenschap, zal het uiteindelijk mogelijk maken om specifieke punten op het kristal te richten en de plaatselijke warmteoverdracht daartussen te meten. Omdat veel nano-objecten infrarood licht absorberen tijdens warmteoverdracht, zou de techniek ook 3D-beelden van dergelijke overdrachten moeten opleveren. “Dit is een manier om de warmteafvoer te optimaliseren in de steeds kleinere componenten die in de nano-elektronica worden gebruikt”, zeggen de onderzoekers.

Het team is nu van plan zijn techniek toe te passen om meer gecompliceerde nanostructuren te bestuderen. Kociak vertelt echter Natuurkunde wereld dat “sommige theoretische aspecten nog beter begrepen moeten worden” voordat dit mogelijk is.

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