Overflateelektromagnetiske felt kartlagt i 3D i nanoskalaen

Det første tredimensjonale kartet over det elektromagnetiske feltet som "klamrer seg" til overflaten av en kube mindre enn 200 nm på tvers, kaster et nytt lys på hvordan materialer sprer varme på nanoskala. Bildene, innhentet av forskere i Frankrike og Østerrike, avslører tilstedeværelsen av infrarøde fotonlignende eksitasjoner kjent som overflatefononpolaritoner nær kubens overflate - et fenomen som kan utnyttes til å transportere spillvarme bort fra nanoelektroniske komponenter og dermed kjøle dem ned.

Fononer er partikkellignende kollektive vibrasjonseksitasjoner (eller atomvibrasjoner) som oppstår i ioniske faste stoffer. De gir opphav til oscillerende elektriske felt, som kobles sammen med fotoner på overflaten av det faste stoffet for å skape overflatefononpolaritoner (SPhPs). Disse hybridene av vibrasjons- og fotoniske eksitasjoner finnes bare på et objekts overflate og er derfor vanligvis av liten betydning i bulkmaterialer. Imidlertid øker deres innflytelse dramatisk når objekter krymper og deres overflate-til-volum-forhold øker.

SPhP-er konsentrerer også elektromagnetisk energi i det midt-infrarøde (3 til 8 mm) opp til det langt infrarøde (15 til 1000 mm) bølgelengdeområdet. Denne egenskapen kan gjøre det mulig å bruke dem i applikasjoner som forbedret (Raman) spektroskopi av molekyler.

Visualisere nærfeltet

Alle slike applikasjoner avhenger av det nanostrukturerte elektromagnetiske feltet som eksisterer på overflatene til metamaterialer eller nanopartikler. Å visualisere dette såkalte nærfeltet har imidlertid vist seg vanskelig. Banebrytende teknikker som elektronenergitapsspektroskopi (EELS), som fungerer ved å måle energien elektronene taper når de møter disse overflatefeltene, kan bare produsere 2D-konturer. Andre teknikker bruker sofistikerte rekonstruksjonsalgoritmer i kombinasjon med EELS for å generere 3D-bilder av feltet, men disse var tidligere begrenset til synlige bølgelengder.

I det nye arbeidet, Mathieu Kociak og kolleger fra CNRS/Université Paris-Saclay, sammen med Gerald Kothleitner ved Graz University of Technology, kombinerte datamodeller med en teknikk kalt tomografisk EELS-spektralbilde for å avbilde 3D-feltet som omgir en nanokrystall av magnesiumoksid (MgO). For å gjøre dette brukte de et nygenerasjons skanning-tunnelelektronmikroskop (STEM) utviklet for elektron- og fotonspektromikroskopi som kan undersøke de optiske egenskapene til materie med ultrahøy energi og romlig oppløsning. Instrumentet (en modifisert NION Hermes 200 kalt "Chromatem") filtrerer en 60-keV elektronstråle med en monokromator for å produsere en stråle med en energioppløsning på mellom 7 til 10 meV.

Vippeteknikk

Ved å skanne denne elektronstrålen over prøven deres, samlet Kociak, Kothleitner og kollegene høyvinklede ringformede mørkefeltbilder som avslørte formen til MgO nanokuben. De vippet deretter prøven i forskjellige vinkler, avbildet kuben i forskjellige orienteringer og registrerte et EELS-spektrum ved hver skanneposisjon. Til slutt brukte de bilderekonstruksjonsteknikker for å generere 3D-bilder av feltet som omgir krystallen.

Overflatefononpolaritoner øker varmeoverføringen

Den nye tilnærmingen, som de beskriver i Vitenskap, vil etter hvert gjøre det mulig å målrette spesifikke punkter på krystallen og måle lokalisert varmeoverføring mellom dem. Siden mange nanoobjekter absorberer infrarødt lys under varmeoverføring, bør teknikken også gi 3D-bilder av slike overføringer. "Dette er en utforskningsvei for å optimalisere varmespredningen i de stadig mindre komponentene som brukes i nanoelektronikk," sier forskerne.

Teamet planlegger nå å bruke teknikken sin for å studere mer kompliserte nanostrukturer. Kociak forteller imidlertid Fysikkens verden at «noen teoretiske aspekter fortsatt må forstås bedre» før dette er mulig.

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