Elektromagnetiska ytfält kartlade i 3D i nanoskala

Den första tredimensionella kartan över det elektromagnetiska fältet som "klamrar sig fast" vid ytan av en kub mindre än 200 nm över kastar ett nytt ljus på hur material avleder värme på nanoskala. Bilderna, som erhållits av forskare i Frankrike och Österrike, avslöjar närvaron av infraröda fotonliknande excitationer kända som ytfononpolaritoner nära kubens yta – ett fenomen som kan utnyttjas för att föra bort spillvärme från nanoelektroniska komponenter och så kyla ner dem.

Fononer är partikelliknande kollektiva vibrationsexcitationer (eller atomvibrationer) som uppstår i joniska fasta ämnen. De ger upphov till oscillerande elektriska fält, som kopplar ihop med fotoner vid ytan av det fasta ämnet för att skapa ytfononpolaritoner (SPhPs). Dessa hybrider av vibrations- och fotoniska excitationer finns endast på ett objekts yta och är därför vanligtvis av liten betydelse i bulkmaterial. Deras inflytande ökar dock dramatiskt när föremål krymper och deras förhållande mellan yta och volym ökar.

SPhPs koncentrerar också elektromagnetisk energi i det mellaninfraröda (3 till 8 mm) upp till det långt infraröda (15 till 1000 mm) våglängdsområdet. Denna egenskap kan göra det möjligt att använda dem i applikationer som förbättrad (Raman) spektroskopi av molekyler.

Visualisera närområdet

Alla sådana applikationer beror på det nanostrukturerade elektromagnetiska fältet som finns på ytorna av metamaterial eller nanopartiklar. Att visualisera detta så kallade närfält har dock visat sig svårt. Banbrytande tekniker som elektronenergiförlustspektroskopi (EELS), som fungerar genom att mäta den energi som elektroner förlorar när de möter dessa ytfält, kan bara producera 2D-konturer. Andra tekniker använder sofistikerade rekonstruktionsalgoritmer i kombination med EELS för att generera 3D-bilder av fältet, men dessa var tidigare begränsade till synliga våglängder.

I det nya arbetet, Mathieu Kociak och kollegor från CNRS/Université Paris-Saclay, tillsammans med Gerald Kothleitner vid Graz University of Technology, kombinerade datormodeller med en teknik som kallas tomografisk EELS-spektralavbildning för att avbilda 3D-fältet som omger en nanokristall av magnesiumoxid (MgO). För att göra detta använde de en ny generation scanning-tunnelling elektronmikroskop (STEM) utvecklat för elektron- och fotonspektromikroskopi som kan undersöka materiens optiska egenskaper med ultrahög energi och rumslig upplösning. Instrumentet (en modifierad NION Hermes 200 kallad "Chromatem") filtrerar en 60-keV elektronstråle med en monokromator för att producera en stråle med en energiupplösning på mellan 7 till 10 meV.

Tiltningsteknik

Genom att skanna denna elektronstråle över deras prov samlade Kociak, Kothleitner och kollegor in högvinklade ringformade mörka fältbilder som avslöjade formen på MgO-nanokuben. De lutade sedan provet i olika vinklar, avbildade kuben i olika orienteringar och spelade in ett EELS-spektrum vid varje skanningsposition. Slutligen använde de bildrekonstruktionstekniker för att generera 3D-bilder av fältet som omger kristallen.

Ytfononpolaritoner ökar värmeöverföringen

Det nya tillvägagångssättet, som de beskriver i Vetenskap, kommer så småningom att göra det möjligt att rikta specifika punkter på kristallen och mäta lokal värmeöverföring mellan dem. Eftersom många nanoobjekt absorberar infrarött ljus under värmeöverföring, bör tekniken också ge 3D-bilder av sådana överföringar. "Detta är en utforskningsväg för att optimera värmeavledning i de allt mindre komponenterna som används i nanoelektronik", säger forskarna.

Teamet planerar nu att tillämpa sin teknik för att studera mer komplicerade nanostrukturer. Däremot berättar Kociak Fysikvärlden att "några teoretiska aspekter fortfarande måste förstås bättre" innan detta är möjligt.

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