Các trường điện từ bề mặt được lập bản đồ 3D ở kích thước nano

Bản đồ ba chiều đầu tiên của trường điện từ "bám" vào bề mặt của một khối lập phương có kích thước nhỏ hơn 200 nm truyền ra ánh sáng mới mẻ về cách vật liệu tản nhiệt ở kích thước nano. Các hình ảnh do các nhà nghiên cứu ở Pháp và Áo thu được cho thấy sự hiện diện của các kích thích giống photon hồng ngoại được gọi là các phân cực phonon bề mặt gần bề mặt của khối lập phương - một hiện tượng có thể được lợi dụng để truyền nhiệt thải ra khỏi các thành phần điện tử nano và làm chúng nguội đi.

Phonon là những kích thích dao động tập thể giống như hạt (hoặc dao động nguyên tử) xảy ra trong chất rắn ion. Chúng tạo ra điện trường dao động, kết hợp với các photon ở bề mặt vật rắn để tạo ra các phân cực phonon bề mặt (SPhPs). Những hỗn hợp kích thích dao động và quang tử này chỉ được tìm thấy trên bề mặt của một vật thể và do đó thường ít quan trọng trong các vật liệu rời. Tuy nhiên, ảnh hưởng của chúng tăng lên đáng kể khi các vật thể co lại và tỷ lệ bề mặt trên thể tích của chúng tăng lên.

SPhP cũng tập trung năng lượng điện từ trong vùng hồng ngoại trung bình (3 đến 8 mm) cho đến dải bước sóng hồng ngoại xa (15 đến 1000 mm). Tính chất này có thể giúp chúng ta có thể sử dụng chúng trong các ứng dụng như quang phổ phân tử (Raman) nâng cao.

Hình dung trường gần

Tất cả các ứng dụng như vậy phụ thuộc vào trường điện từ có cấu trúc nano tồn tại ở bề mặt của siêu vật liệu hoặc hạt nano. Tuy nhiên, việc hình dung cái gọi là trường gần này tỏ ra khó khăn. Các kỹ thuật tiên phong như quang phổ tổn thất năng lượng điện tử (EELS), hoạt động bằng cách đo năng lượng mà các điện tử mất đi khi chúng gặp các trường bề mặt này, chỉ có thể tạo ra các đường viền 2D. Các kỹ thuật khác sử dụng các thuật toán tái tạo phức tạp kết hợp với EELS để tạo ra hình ảnh 3D của trường, nhưng trước đây chúng bị hạn chế ở các bước sóng nhìn thấy được.

Trong tác phẩm mới, Mathieu Kociak và các đồng nghiệp từ CNRS / Université Paris-Saclay, cùng với Gerald Kothleitner của Đại học Công nghệ Graz, đã kết hợp các mô hình máy tính với một kỹ thuật được gọi là chụp ảnh quang phổ EELS tomographic để tạo hình ảnh trường 3D xung quanh một tinh thể nano của oxit magiê (MgO). Để làm được điều này, họ đã sử dụng kính hiển vi điện tử quét đường hầm (STEM) thế hệ mới được phát triển cho phép hiển vi quang phổ điện tử và photon có thể thăm dò các đặc tính quang học của vật chất với năng lượng siêu cao và độ phân giải không gian. Thiết bị (NION Hermes 200 được sửa đổi có tên là “Chromatem”) lọc chùm điện tử 60 keV bằng bộ đơn sắc để tạo ra chùm có độ phân giải năng lượng từ 7 đến 10 meV.

Kỹ thuật nghiêng

Bằng cách quét chùm điện tử này qua mẫu của họ, Kociak, Kothleitner và các đồng nghiệp đã thu thập được hình ảnh trường tối hình khuyên góc cao cho thấy hình dạng của khối nano MgO. Sau đó, họ nghiêng mẫu ở nhiều góc độ khác nhau, chụp ảnh khối lập phương theo các hướng khác nhau và ghi lại phổ EELS tại mỗi vị trí quét. Cuối cùng, họ sử dụng kỹ thuật tái tạo hình ảnh để tạo ra hình ảnh 3D của trường xung quanh tinh thể.

Các phân cực phonon bề mặt tăng cường truyền nhiệt

Cách tiếp cận mới, được họ mô tả trong Khoa học, cuối cùng sẽ làm cho nó có thể nhắm mục tiêu các điểm cụ thể trên tinh thể và đo sự truyền nhiệt cục bộ giữa chúng. Vì nhiều vật thể nano hấp thụ ánh sáng hồng ngoại trong quá trình truyền nhiệt, nên kỹ thuật này cũng nên cung cấp hình ảnh 3D của quá trình truyền nhiệt như vậy. Các nhà nghiên cứu nói: “Đây là một con đường khám phá để tối ưu hóa tản nhiệt trong các thành phần ngày càng nhỏ được sử dụng trong điện tử nano.

Nhóm nghiên cứu hiện có kế hoạch áp dụng kỹ thuật của mình để nghiên cứu các cấu trúc nano phức tạp hơn. Tuy nhiên, Kociak nói Thế giới vật lý rằng “một số khía cạnh lý thuyết vẫn cần được hiểu rõ hơn” trước khi điều này có thể thực hiện được.

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