Поверхностные электромагнитные поля, отображаемые в трехмерном виде на наноуровне

Первая трехмерная карта электромагнитного поля, которое «цепляется» за поверхность куба размером менее 200 нм, проливает новый свет на то, как материалы рассеивают тепло в наномасштабе. Изображения, полученные исследователями из Франции и Австрии, показывают присутствие инфракрасных фотоноподобных возбуждений, известных как поверхностные фононные поляритоны, вблизи поверхности куба - явление, которое можно использовать для отвода тепла от наноэлектронных компонентов и их охлаждения.

Фононы - это подобные частицам коллективные колебательные возбуждения (или колебания атомов), которые происходят в ионных твердых телах. Они вызывают колебательные электрические поля, которые соединяются с фотонами на поверхности твердого тела, создавая поверхностные фононные поляритоны (SPhP). Эти гибриды колебательного и фотонного возбуждения обнаруживаются только на поверхности объекта и поэтому обычно не имеют большого значения для объемных материалов. Однако их влияние резко возрастает по мере уменьшения размеров объектов и увеличения их отношения поверхности к объему.

SPhP также концентрируют электромагнитную энергию в диапазоне длин волн от среднего инфракрасного (от 3 до 8 мм) до дальнего инфракрасного (от 15 до 1000 мм). Это свойство может позволить использовать их в таких приложениях, как расширенная (рамановская) спектроскопия молекул.

Визуализация ближнего поля

Все такие приложения зависят от наноструктурированного электромагнитного поля, которое существует на поверхности метаматериалов или наночастиц. Однако визуализация этого так называемого ближнего поля оказалась трудной. Новаторские методы, такие как спектроскопия потерь энергии электронов (EELS), которая работает путем измерения энергии, которую электроны теряют, когда они сталкиваются с этими поверхностными полями, могут создавать только двумерные контуры. Другие методы используют сложные алгоритмы реконструкции в сочетании с EELS для создания трехмерных изображений поля, но ранее они были ограничены видимыми длинами волн.

В новой работе Матье Кочак и коллегами из CNRS / Université Paris-Saclay, вместе с Джеральд Котлейтнер Технологического университета Граца объединила компьютерные модели с техникой, называемой томографическим EELS-спектральным отображением, для изображения трехмерного поля, окружающего нанокристалл оксида магния (MgO). Для этого они использовали сканирующий туннельный электронный микроскоп нового поколения (STEM), разработанный для электронной и фотонной спектромикроскопии, который может исследовать оптические свойства вещества со сверхвысокой энергией и пространственным разрешением. Этот прибор (модифицированный NION Hermes 3, называемый «Chromatem») фильтрует электронный пучок с энергией 200 кэВ с помощью монохроматора для получения пучка с разрешением по энергии от 60 до 7 мэВ.

Техника наклона

Сканируя этот электронный луч по своему образцу, Кочак, Котлейтнер и его коллеги собрали высокоугловые кольцевые изображения темного поля, которые показали форму нанокуба MgO. Затем они наклонили образец под разными углами, визуализировали куб в разных ориентациях и записали спектр EELS в каждой позиции сканирования. Наконец, они использовали методы реконструкции изображения для создания трехмерных изображений поля, окружающего кристалл.

Поверхностные фононные поляритоны способствуют теплопередаче

Новый подход, который они описывают в Наука, в конечном итоге позволит нацеливать определенные точки на кристалле и измерять локализованный теплообмен между ними. Поскольку многие нанообъекты поглощают инфракрасный свет во время передачи тепла, метод должен также обеспечивать трехмерные изображения таких передач. «Это одно из направлений исследований по оптимизации рассеивания тепла во все более мелких компонентах, используемых в наноэлектронике», - говорят исследователи.

Теперь команда планирует применить свою технику для изучения более сложных наноструктур. Однако Кочак говорит Мир физики что «некоторые теоретические аспекты еще необходимо лучше понять», прежде чем это станет возможным.

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