Nano ölçekte 3D olarak haritalanan yüzey elektromanyetik alanları

200 nm'den daha küçük bir küpün yüzeyine "yapışan" elektromanyetik alanın ilk üç boyutlu haritası, malzemelerin nano ölçekte ısıyı nasıl dağıttığına dair yeni bir ışık tutuyor. Fransa ve Avusturya'daki araştırmacılar tarafından elde edilen görüntüler, küpün yüzeyine yakın yüzey fonon polaritonları olarak bilinen kızılötesi foton benzeri uyarıların varlığını ortaya koyuyor - atık ısıyı nanoelektronik bileşenlerden uzaklaştırmak ve böylece onları soğutmak için kullanılabilecek bir fenomen.

Fononlar, iyonik katılarda meydana gelen parçacık benzeri toplu titreşim uyarılarıdır (veya atomik titreşimlerdir). Yüzey fonon polaritonları (SPhP'ler) oluşturmak için katının yüzeyindeki fotonlarla birleşen salınımlı elektrik alanlarına yol açarlar. Titreşimsel ve fotonik uyarımların bu melezleri yalnızca bir nesnenin yüzeyinde bulunur ve bu nedenle dökme malzemelerde tipik olarak çok az öneme sahiptir. Bununla birlikte, nesneler küçüldükçe ve yüzey-hacim oranı arttıkça etkileri önemli ölçüde artar.

SPhP'ler ayrıca elektromanyetik enerjiyi orta kızılötesi (3 ila 8 mm) ile uzak kızılötesi (15 ila 1000 mm) dalga boyu aralığına kadar yoğunlaştırır. Bu özellik, bunların moleküllerin geliştirilmiş (Raman) spektroskopisi gibi uygulamalarda kullanılmasını mümkün kılabilir.

Yakın alanı görselleştirme

Tüm bu uygulamalar, metamalzemelerin veya nanoparçacıkların yüzeylerinde bulunan nanoyapılı elektromanyetik alana bağlıdır. Ancak bu sözde yakın alanı görselleştirmek zor oldu. Elektronların bu yüzey alanlarıyla karşılaştıklarında kaybettikleri enerjiyi ölçerek çalışan elektron enerji kaybı spektroskopisi (EELS) gibi öncü teknikler yalnızca 2B anahatlar üretebilir. Diğer teknikler, alanın 3D görüntülerini oluşturmak için EELS ile birlikte karmaşık yeniden yapılandırma algoritmalarını kullanır, ancak bunlar daha önce görünür dalga boylarıyla sınırlıydı.

Yeni çalışmada, Mathieu Kociak ve CNRS/Université Paris-Saclay'den meslektaşları ile birlikte Gerald Kothleitner Graz Teknoloji Üniversitesi'nden, bir magnezyum oksit nanokristalini (MgO) çevreleyen 3B alanı görüntülemek için bilgisayar modellerini tomografik EELS spektral görüntüleme adı verilen bir teknikle birleştirdi. Bunu yapmak için, elektron ve foton spektromikroskopisi için geliştirilmiş, maddenin optik özelliklerini ultra yüksek enerji ve uzaysal çözünürlükle araştırabilen yeni nesil taramalı tünelleme elektron mikroskobu (STEM) kullandılar. Cihaz ("Chromatem" olarak adlandırılan değiştirilmiş bir NION Hermes 200), 60 ila 7 meV arasında bir enerji çözünürlüğüne sahip bir ışın üretmek için bir monokromatör ile 10-keV'lik bir elektron ışınını filtreler.

devirme tekniği

Kociak, Kothleitner ve meslektaşları, bu elektron ışınını numuneleri boyunca tarayarak, MgO nanoküpünün şeklini ortaya çıkaran yüksek açılı dairesel karanlık alan görüntüleri topladılar. Daha sonra numuneyi çeşitli açılarda eğdiler, küpü farklı yönlerde görüntülediler ve her tarama pozisyonunda bir EELS spektrumu kaydettiler. Son olarak, kristali çevreleyen alanın 3 boyutlu görüntülerini oluşturmak için görüntü rekonstrüksiyon tekniklerini kullandılar.

Yüzey fonon polaritonları ısı transferini artırır

Açıkladıkları yeni yaklaşım, Bilim, sonunda kristal üzerindeki belirli noktaları hedeflemeyi ve bunlar arasındaki yerel ısı transferini ölçmeyi mümkün kılacaktır. Birçok nano-nesne, ısı transferi sırasında kızılötesi ışığı emdiği için, teknik aynı zamanda bu tür transferlerin 3 boyutlu görüntülerini de sağlamalıdır. Araştırmacılar, "Bu, nanoelektronikte kullanılan giderek daha küçük bileşenlerde ısı dağılımını optimize etmek için bir keşif yolu" diyor.

Ekip şimdi daha karmaşık nanoyapıları incelemek için tekniğini uygulamayı planlıyor. Ancak Koçiak, Fizik dünyası Bu mümkün olmadan önce “bazı teorik yönlerin daha iyi anlaşılması gerekiyor”.

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