Nuovo ultra nanoscala

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I semiconduttori sono componenti fondamentali dell’energia moderna, della comunicazione e di una miriade di altre tecnologie. La ricerca sulla personalizzazione della nanostruttura sottostante dei semiconduttori per ottimizzare le prestazioni dei dispositivi è in corso da decenni. Ora, in uno studio recentemente pubblicato su Scientific Reports, i ricercatori dell’Università di Tsukuba e il partner collaboratore UNISOKU Co., LTD., hanno facilitato lo sviluppo della tecnologia – microscopia a tunneling a scansione (STM) facile da usare e risolta nel tempo – per la misurazione il movimento degli elettroni nelle nanostrutture ad alta risoluzione temporale e spaziale, in un modo che sarà prezioso per ottimizzare le prestazioni delle nanostrutture.

Il flusso di corrente attraverso i semiconduttori, e quindi la loro prestazione, dipende dalla dinamica dei portatori di carica. Queste dinamiche possono essere estremamente veloci. Ad esempio, la loro dinamica può essere più di 10 miliardi di volte più veloce della portata di un millisecondo di un battito di ciglia. L'STM con sonda a pompa ottica (OPP) è il metodo essenziale e all'avanguardia per misurare e visualizzare tali dinamiche nei semiconduttori. Tuttavia, gli attuali mezzi di misurazione e i sistemi di imaging sono troppo complicati per i non esperti. Sono necessarie tecniche speciali per l'acquisizione e l'interpretazione dei dati. Pertanto, la facilità d'uso e di funzionamento sono ciò che i ricercatori hanno cercato di affrontare in questo studio.

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"L'OPP STM è un metodo essenziale per misurare la dinamica dei portatori di carica fotoindotti nelle nanostrutture, ma richiede progressi tecnici per soddisfare le esigenze di osservazione ultraveloce", spiega il professor Hidemi Shigekawa, autore senior. "I nostri aggiornamenti a OPP STM hanno consentito lo studio della dinamica dei portatori ultraveloci in un comune materiale semiconduttore."

I ricercatori segnalano tecniche particolarmente degne di nota che hanno contribuito a ottimizzare le prestazioni del sistema sviluppato. Hanno introdotto un meccanismo per controllare elettricamente l'oscillazione del laser nonché il tempo di ritardo tra la pompa e le luci della sonda e hanno costruito un sistema ottico stabile. Hanno utilizzato questo sistema intuitivo per misurare la dinamica dei portatori di carica ultraveloci sulle superfici dell'arseniuro di gallio. Sono inoltre riusciti ad applicare la loro tecnica per correlare difetti come i bordi dei gradini e le terrazze alla dinamica dei portatori di carica. Questa correlazione è stata resa possibile in parte dall'elevata stabilità dell'imaging, il che significa che è stata condotta su una posizione di punto luminoso stabilizzata per 16 ore.

"Il nostro lavoro sarà prezioso in campi come le tecnologie di comunicazione ottica ultraveloce e la fotocatalisi", affermano i ricercatori. "Collegare la nanostruttura sottostante dei materiali alle corrispondenti proprietà fotoelettriche mediante questo metodo intuitivo fornirà le conoscenze fondamentali necessarie per migliorare la funzionalità dei dispositivi semiconduttori."

Questo lavoro è riuscito ad espandere l'utilità di OPP STM per studiare le relazioni nanostruttura-funzione di materiali semiconduttori come l'arseniuro di gallio e materiali a bassa dimensionalità. Il semplice design sperimentale dei ricercatori aiuterà i ricercatori in vari campi a migliorare le prestazioni fotoelettriche, ad esempio, dei circuiti integrati e dei diodi emettitori di luce per le tecnologie di comunicazione ottica ultraveloce. Le prestazioni dell'OPP STM risolta nel tempo possono essere ulteriormente migliorate ottimizzando la lunghezza d'onda e l'ampiezza temporale del laser pulsato; si prevedono sviluppi sostanziali.

Riferimento: Iwaya K, Yokota M, Hanada H, et al. Microscopia ottica a effetto tunnel con sonda a pompa attivabile esternamente con una risoluzione temporale di decine di picosecondi. Sci Rep. 2023;13(1):818. doi: 10.1038/s41598-023-27383-z