L’Université d’État du Michigan a combiné une lumière laser térahertz, représentée par une flèche ondulée rouge, avec la pointe d’un microscope à effet tunnel (STM) — la forme pyramidale sombre échangeant un électron rouge avec un échantillon représenté par une surface bleue. Crédit : Eve Ammerman
L’un des défis que pose l’intégration d’électronique plus intelligente et plus puissante dans des appareils de plus en plus petits est de développer les outils et les techniques permettant d’analyser les matériaux qui les composent avec une précision de plus en plus fine.
Des physiciens de l’Université d’État du Michigan ont franchi une étape tant attendue dans ce domaine avec une approche qui combine la microscopie haute résolution avec des lasers ultrarapides.
Cette technique, décrite dans la revue Nature Photonics, permet aux chercheurs de repérer les atomes mal adaptés dans les semi-conducteurs avec une précision inégalée. La physique des semi-conducteurs qualifie ces atomes de « défauts », ce qui semble négatif, mais ils sont généralement ajoutés volontairement aux matériaux et sont d’une importance cruciale pour les performances des semi-conducteurs dans les appareils d’aujourd’hui et de demain.
« Cela est particulièrement pertinent pour les composants dotés de structures à l’échelle nanométrique », a déclaré Tyler Cocker, titulaire de la chaire Jerry Cowen en physique expérimentale et responsable de la nouvelle étude.
Cela inclut des éléments tels que les puces informatiques, qui utilisent couramment des semi-conducteurs dotés de caractéristiques nanométriques. Les chercheurs s’efforcent de pousser l’architecture nanométrique à l’extrême en concevant des matériaux d’une épaisseur d’un seul atome.
« Ces matériaux nanoscopiques sont l’avenir des semi-conducteurs », a déclaré Cocker, qui dirige également le laboratoire de nanoscopie térahertz ultrarapide du département de physique et d’astronomie de la MSU. « Lorsque vous avez des composants électroniques à l’échelle nanométrique, il est vraiment important de s’assurer que les électrons peuvent se déplacer comme vous le souhaitez. »
Les défauts jouent un rôle important dans le mouvement des électrons, c’est pourquoi des scientifiques comme Cocker souhaitent savoir précisément où ils se trouvent et comment ils se comportent. Les collègues de Cocker ont été ravis d’apprendre que la nouvelle technique de son équipe leur permettra d’obtenir facilement ces informations.
« L’un de mes collègues m’a dit : « J’espère que vous êtes sortis pour fêter ça » », a déclaré Cocker.
Vedran Jelic, chercheur postdoctoral au sein du groupe de Cocker et qui travaille maintenant au Conseil national de recherches du Canada, est le premier auteur du nouveau rapport. L’équipe de recherche comprenait également les doctorants Stefanie Adams, Eve Ammerman et Mohamed Hassan, ainsi que la chercheuse de premier cycle Kaedon Cleland-Host.
Cocker a ajouté que la technique est simple à mettre en œuvre avec le bon équipement et que son équipe l’applique déjà à des matériaux atomiquement minces comme les nanorubans de graphène.
« Nous avons un certain nombre de projets en cours dans lesquels nous utilisons cette technique avec davantage de matériaux, plus exotiques », a déclaré Cocker. « Nous l’intégrons dans tout ce que nous faisons et l’utilisons comme technique standard. »
Les doctorants Mohamed Hassan et Stefanie Adams inspectent une table optique pour régler la lumière laser utilisée dans la nouvelle technique de l’équipe de l’Université d’État du Michigan. Crédit : Matt Davenport/MSU College of Natural Science
Une touche légère (presque)
Il existe déjà des outils, notamment des microscopes à effet tunnel ou STM, qui peuvent aider les scientifiques à repérer les défauts d’un seul atome.
Contrairement aux microscopes que beaucoup connaissent dans leurs cours de sciences au lycée, les STM n’utilisent pas de lentilles ni d’ampoules pour agrandir les objets. Au lieu de cela, les STM scannent la surface d’un échantillon à l’aide d’une pointe atomiquement pointue, presque comme le stylet d’un tourne-disque.
Mais la pointe du STM ne touche pas la surface de l’échantillon, elle s’en rapproche juste suffisamment pour que les électrons puissent sauter, ou creuser un tunnel, entre la pointe et l’échantillon.
Les STM enregistrent le nombre d’électrons qui sautent et d’où ils sautent, ainsi que d’autres informations, pour fournir des informations à l’échelle atomique sur les échantillons (c’est pourquoi le laboratoire de Cocker appelle cela la nanoscopie au lieu de la microscopie).
Mais les données STM seules ne suffisent pas toujours à résoudre clairement les défauts d’un échantillon, en particulier dans l’arséniure de gallium, un matériau semi-conducteur important que l’on trouve dans les systèmes radar, les cellules solaires à haut rendement et les appareils de télécommunication modernes.
Pour leur dernière publication, Cocker et son équipe se sont concentrés sur des échantillons d’arséniure de gallium qui ont été intentionnellement infusés avec des atomes défectueux de silicium pour ajuster la façon dont les électrons se déplacent à travers le semi-conducteur.
« L’atome de silicium ressemble fondamentalement à un nid-de-poule profond pour les électrons », a déclaré Cocker.
Bien que les théoriciens étudient ce type de défaut depuis des décennies, les expérimentateurs n’ont pas encore pu détecter directement ces atomes isolés. La nouvelle technique de Cocker et de son équipe utilise toujours un STM, mais les chercheurs envoient également des impulsions laser directement sur la pointe du STM.
Tyler Cocker (à gauche), titulaire de la chaire Jerry Cowen en physique expérimentale à l’université d’État du Michigan, aux côtés des doctorants Stefanie Adams et Mohamed Hassan au laboratoire de nanoscopie térahertz ultrarapide. Crédit : Matt Davenport/MSU College of Natural Science
Ces impulsions sont constituées d’ondes lumineuses à fréquence térahertz, ce qui signifie qu’elles oscillent de haut en bas un trillion de fois par seconde. Récemment, des théoriciens ont montré qu’il s’agissait de la même fréquence à laquelle les défauts des atomes de silicium devraient osciller d’avant en arrière à l’intérieur d’un échantillon d’arséniure de gallium.
En couplant la lumière STM et térahertz, l’équipe de la MSU a créé une sonde dotée d’une sensibilité inégalée pour les défauts.
Lorsque la pointe du STM a atteint un défaut de silicium à la surface de l’arséniure de gallium, un signal soudain et intense est apparu dans les données de mesure de l’équipe. Lorsque les chercheurs ont éloigné la pointe d’un atome du défaut, le signal a disparu.
« Il s’agissait d’un défaut que les gens recherchaient depuis plus de quarante ans, et nous pouvions le voir résonner comme une cloche », a déclaré Cocker.
« Au début, c’était difficile à croire parce que c’était si particulier », a-t-il poursuivi. « Nous avons dû le mesurer sous toutes les coutures pour être certains que c’était réel. »
Une fois convaincus que le signal était réel, il était facile de l’expliquer grâce aux années de travail théorique consacrées au sujet.
« Quand vous découvrez quelque chose comme cela, c’est vraiment utile lorsqu’il existe déjà des décennies de recherche théorique qui le caractérisent en profondeur », a déclaré Jelic, qui, avec Cocker, est également auteur correspondant du nouvel article.
Bien que le laboratoire de Cocker soit à la pointe dans ce domaine, des groupes du monde entier combinent actuellement les STM et la lumière térahertz. Il existe également une variété d’autres matériaux qui pourraient bénéficier de cette technique pour des applications allant au-delà de la détection de défauts.
Maintenant que son équipe a partagé son approche avec la communauté, Cocker est impatient de voir quelles autres découvertes l’attendent.
Plus d’information:
Spectroscopie du domaine temporel térahertz à l’échelle atomique, Nature Photonics (2024). DOI : 10.1038/s41566-024-01467-2
Fourni par l’Université d’État du Michigan
Citation: Des physiciens développent une méthode pour détecter les défauts d’atomes uniques dans les semi-conducteurs (2024, 4 juillet) récupéré le 4 juillet 2024 à partir de
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2024-07-04 12:00:01
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