Поверхневі електромагнітні поля, відображені в 3D на нанорозмірі

Перша тривимірна карта електромагнітного поля, яке «чіпляється» за поверхню куба діаметром менше 200 нм, проливає нове світло на те, як матеріали розсіюють тепло на нанорозмірі. Зображення, отримані дослідниками з Франції та Австрії, показують наявність інфрачервоних фотоноподібних збуджень, відомих як поверхневі фононні поляритони, поблизу поверхні куба – явище, яке можна використовувати для відведення відпрацьованого тепла від наноелектронних компонентів і таким чином для їх охолодження.

Фонони — це частинкоподібні колективні коливальні збудження (або коливання атомів), які виникають в іонних твердих тілах. Вони викликають осцилюючі електричні поля, які з’єднуються з фотонами на поверхні твердого тіла, створюючи поверхневі фононні поляритони (SPhP). Ці гібриди вібраційних і фотонних збуджень зустрічаються лише на поверхні об’єкта і, таким чином, зазвичай не мають великого значення в об’ємних матеріалах. Однак їхній вплив різко зростає, оскільки об’єкти зменшуються та збільшується співвідношення їх поверхні до об’єму.

СПФ також концентрують електромагнітну енергію в середньому інфрачервоному (від 3 до 8 мм) до далекому інфрачервоному (від 15 до 1000 мм) діапазоні довжин хвиль. Ця властивість може зробити можливим використання їх у таких додатках, як розширена (Раманівська) спектроскопія молекул.

Візуалізація ближнього поля

Усі такі застосування залежать від наноструктурованого електромагнітного поля, яке існує на поверхнях метаматеріалів або наночастинок. Однак візуалізація цього так званого ближнього поля виявилася складною. Піонерські методи, такі як спектроскопія втрати енергії електронів (EELS), яка працює шляхом вимірювання енергії, яку втрачають електрони, коли вони стикаються з цими поверхневими полями, можуть створювати лише 2D контури. Інші методи використовують складні алгоритми реконструкції в поєднанні з EELS для створення 3D-зображень поля, але раніше вони були обмежені видимими довжинами хвиль.

У новій роботі, Матьє Коцяк та колеги з CNRS/Université Paris-Saclay разом з Джеральд Котлейтнер Технологічного університету Граца поєднав комп’ютерні моделі з технікою томографічного спектрального зображення EELS для зображення тривимірного поля, що оточує нанокристал оксиду магнію (MgO). Для цього вони використали скануючий тунельний електронний мікроскоп нового покоління (STEM), розроблений для електронної та фотонної спектромікроскопії, який може досліджувати оптичні властивості речовини з надвисокою енергетичною та просторовою роздільною здатністю. Інструмент (модифікований NION Hermes 3 під назвою «Chromatem») фільтрує промінь електронів з енергією 200 кеВ за допомогою монохроматора, щоб отримати промінь з енергетичною роздільною здатністю від 60 до 7 меВ.

Техніка нахилу

Скануючи цей електронний промінь через свій зразок, Коціак, Котляйтнер та їхні колеги зібрали кільцеві зображення темного поля під великим кутом, які показали форму нанокуба MgO. Потім вони нахиляли зразок під різними кутами, знімали куб у різних орієнтаціях і записували спектр EELS у кожній позиції сканування. Нарешті, вони використовували методи реконструкції зображень для створення 3D-зображень поля, що оточує кристал.

Поверхневі фононні поляритони посилюють теплообмін

Новий підхід, який вони описують у наука, врешті-решт дасть змогу націлитися на конкретні точки на кристалі та виміряти локалізований теплообмін між ними. Оскільки багато нанооб’єктів поглинають інфрачервоне світло під час передачі тепла, ця техніка також повинна забезпечувати 3D-зображення таких передач. «Це один із шляхів дослідження для оптимізації розсіювання тепла в дедалі менших компонентах, які використовуються в наноелектроніці», — кажуть дослідники.

Тепер команда планує застосувати свою техніку для вивчення більш складних наноструктур. Однак Коцяк розповідає Світ фізики що «деякі теоретичні аспекти ще потрібно краще зрозуміти», перш ніж це стане можливим.

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