Powierzchniowe pola elektromagnetyczne zmapowane w 3D w nanoskali

Pierwsza trójwymiarowa mapa pola elektromagnetycznego, które „przylega” do powierzchni sześcianu o średnicy mniejszej niż 200 nm, rzuca nowe światło na sposób, w jaki materiały rozpraszają ciepło w nanoskali. Zdjęcia uzyskane przez naukowców z Francji i Austrii ujawniają obecność wzbudzeń fotonów podczerwonych, znanych jako powierzchniowe polarytony fononowe, w pobliżu powierzchni sześcianu – zjawisko, które można wykorzystać do odprowadzania ciepła odpadowego z elementów nanoelektronicznych i w ten sposób ich schładzania.

Fonony to podobne do cząstek zbiorowe wzbudzenia wibracyjne (lub wibracje atomowe), które występują w ciałach stałych jonowych. Powodują one powstanie oscylujących pól elektrycznych, które łączą się z fotonami na powierzchni ciała stałego, tworząc powierzchniowe polarytony fononowe (SPhP). Te hybrydy wzbudzeń wibracyjnych i fotonicznych występują tylko na powierzchni obiektu i dlatego zazwyczaj mają niewielkie znaczenie w materiałach sypkich. Jednakże ich wpływ dramatycznie wzrasta w miarę kurczenia się obiektów i zwiększania się ich stosunku powierzchni do objętości.

SPhP koncentrują również energię elektromagnetyczną w zakresie długości fal średniej podczerwieni (3 do 8 mm) do dalekiej podczerwieni (15 do 1000 mm). Ta właściwość może umożliwić ich wykorzystanie w zastosowaniach takich jak wzmocniona spektroskopia (Ramanowska) cząsteczek.

Wizualizacja pola bliskiego

Wszystkie tego typu zastosowania zależą od nanostrukturalnego pola elektromagnetycznego istniejącego na powierzchniach metamateriałów lub nanocząstek. Wizualizacja tego tak zwanego pola bliskiego okazała się jednak trudna. Pionierskie techniki, takie jak spektroskopia strat energii elektronów (EELS), która polega na pomiarze energii traconej przez elektrony, gdy napotykają pola powierzchniowe, mogą jedynie stworzyć kontury 2D. Inne techniki wykorzystują wyrafinowane algorytmy rekonstrukcji w połączeniu z EELS do generowania obrazów 3D pola, ale wcześniej były one ograniczone do fal widzialnych.

W nowej pracy Mateusz Kociak i współpracownicy z CNRS/Université Paris-Saclay wraz z Geralda Kothleitnera z Politechniki w Grazu połączyli modele komputerowe z techniką zwaną tomograficznym obrazowaniem widmowym EELS w celu zobrazowania pola 3D otaczającego nanokryształ tlenku magnezu (MgO). W tym celu wykorzystali nowej generacji skaningowo-tunelowy mikroskop elektronowy (STEM) opracowany do spektromikroskopii elektronów i fotonów, który może badać właściwości optyczne materii z ultrawysoką rozdzielczością energetyczną i przestrzenną. Instrument (zmodyfikowany NION Hermes 200 zwany „Chromatem”) filtruje wiązkę elektronów o energii 60 keV za pomocą monochromatora, aby wytworzyć wiązkę o rozdzielczości energetycznej od 7 do 10 meV.

Technika pochylania

Skanując tę ​​wiązkę elektronów przez swoją próbkę, Kociak, Kothleitner i współpracownicy zebrali obrazy pierścieniowego ciemnego pola pod dużym kątem, które ujawniły kształt nanokostki MgO. Następnie przechylili próbkę pod różnymi kątami, zobrazowali sześcian w różnych orientacjach i zarejestrowali widmo EELS w każdej pozycji skanowania. Na koniec wykorzystali techniki rekonstrukcji obrazu do wygenerowania obrazów 3D pola otaczającego kryształ.

Powierzchniowe polarytony fononowe zwiększają przenoszenie ciepła

Nowe podejście, które opisują w nauka, ostatecznie umożliwi namierzenie określonych punktów na krysztale i zmierzenie zlokalizowanego przepływu ciepła między nimi. Ponieważ wiele nanoobiektów pochłania światło podczerwone podczas przenoszenia ciepła, technika ta powinna również zapewniać obrazy 3D takich transferów. „To jeden ze kierunków badań mających na celu optymalizację rozpraszania ciepła w coraz mniejszych elementach stosowanych w nanoelektronice” – twierdzą naukowcy.

Zespół planuje teraz zastosować swoją technikę do badania bardziej skomplikowanych nanostruktur. Jednak Kociak opowiada Świat Fizyki że „niektóre aspekty teoretyczne wymagają jeszcze lepszego zrozumienia”, zanim stanie się to możliwe.

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