Površinska elektromagnetna polja, preslikana v 3D na nanometru

Prvi tridimenzionalni zemljevid elektromagnetnega polja, ki se "prilepi" na površino kocke s premerom manj kot 200 nm, meče svežo luč na to, kako materiali odvajajo toploto na nanometru. Slike, ki so jih pridobili raziskovalci v Franciji in Avstriji, razkrivajo prisotnost vzbujanja, podobnega infrardečim fotonom, znanega kot površinski fononski polaritoni blizu površine kocke – pojav, ki bi ga lahko izkoristili za prenos odpadne toplote stran od nanoelektronskih komponent in tako njihovo hlajenje.

Fononi so delcem podobna kolektivna vibracijska vzbujanja (ali atomske vibracije), ki se pojavljajo v ionskih trdnih snoveh. Povzročajo nihajoča električna polja, ki se povezujejo s fotoni na površini trdne snovi, da ustvarijo površinske fononske polaritone (SPhP). Te hibride vibracijskih in fotonskih vzbujanj najdemo samo na površini predmeta in so zato v razsutem materialu običajno malo pomembne. Vendar se njihov vpliv dramatično poveča, ko se predmeti krčijo in se povečuje razmerje med površino in prostornino.

SPhP prav tako koncentrirajo elektromagnetno energijo v srednjem infrardečem (3 do 8 mm) do daljnem infrardečem (15 do 1000 mm) območju valovnih dolžin. Ta lastnost bi lahko omogočila njihovo uporabo v aplikacijah, kot je izboljšana (ramanska) spektroskopija molekul.

Vizualizacija bližnjega polja

Vse takšne aplikacije so odvisne od nanostrukturiranega elektromagnetnega polja, ki obstaja na površinah metamaterialov ali nanodelcev. Vizualizacija tega tako imenovanega bližnjega polja pa se je izkazala za težavno. Pionirske tehnike, kot je spektroskopija izgube energije elektronov (EELS), ki deluje z merjenjem energije, ki jo elektroni izgubijo, ko naletijo na ta površinska polja, lahko ustvarijo samo 2D obrise. Druge tehnike uporabljajo sofisticirane rekonstrukcijske algoritme v kombinaciji z EELS za ustvarjanje 3D slik polja, vendar so bile prej omejene na vidne valovne dolžine.

V novem delu, Mathieu Kociaku in sodelavci iz CNRS/Université Paris-Saclay, skupaj z Gerald Kothleitner Univerze za tehnologijo v Gradcu, je združil računalniške modele s tehniko, imenovano tomografsko spektralno slikanje EELS, za slikanje 3D polja, ki obdaja nanokristal magnezijevega oksida (MgO). Da bi to naredili, so uporabili novo generacijo skenirajočega tunelskega elektronskega mikroskopa (STEM), razvitega za elektronsko in fotonsko spektromikroskopijo, ki lahko preiskuje optične lastnosti snovi z ultravisoko energijsko in prostorsko ločljivostjo. Instrument (modificiran NION Hermes 200, imenovan "Chromatem") filtrira 60-keV elektronski žarek z monokromatorjem, da proizvede žarek z energijsko ločljivostjo med 7 in 10 meV.

Tehnika nagibanja

S skeniranjem tega elektronskega žarka po njihovem vzorcu so Kociak, Kothleitner in sodelavci zbrali visokokotne obročaste slike temnega polja, ki so razkrile obliko nanokocke MgO. Nato so vzorec nagnili pod različnimi koti, posneli kocko v različnih orientacijah in posneli spekter EELS na vsakem položaju skeniranja. Končno so uporabili tehnike rekonstrukcije slike za ustvarjanje 3D slik polja, ki obdaja kristal.

Površinski fononski polaritoni povečajo prenos toplote

Nov pristop, ki ga opisujeta v Znanost, bo sčasoma omogočil ciljanje na določene točke na kristalu in merjenje lokaliziranega prenosa toplote med njimi. Ker mnogi nano-predmeti absorbirajo infrardečo svetlobo med prenosom toplote, bi morala tehnika zagotoviti tudi 3D slike takih prenosov. "To je ena od poti raziskovanja za optimizacijo odvajanja toplote v čedalje manjših komponentah, ki se uporabljajo v nanoelektroniki," pravijo raziskovalci.

Ekipa zdaj načrtuje uporabo svoje tehnike za preučevanje bolj zapletenih nanostruktur. Vendar Kociak pripoveduje Svet fizike da je treba "nekatere teoretične vidike še bolje razumeti", preden bo to mogoče.

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