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A Michigan State University combinou luz laser terahertz, mostrada como uma seta vermelha ondulada, com uma ponta de microscópio de tunelamento de varredura, ou STM — a forma de pirâmide escura trocando um elétron vermelho com uma amostra mostrada com uma superfície azul. Crédito: Eve Ammerman
Os físicos desenvolveram uma técnica inovadora usando microscopia de alta resolução e lasers ultrarrápidos para identificar com precisão defeitos em semicondutores.
Este novo método, particularmente eficaz em nanoescala componentes, permite detalhes sem precedentes na observação do movimento dos elétrons em torno de defeitos atômicos, avançando significativamente o campo da física dos semicondutores e prometendo novas possibilidades para materiais como grafeno.
Análise Avançada de Semicondutores
Um dos desafios de colocar componentes eletrônicos mais inteligentes e potentes em dispositivos cada vez menores é desenvolver ferramentas e técnicas para analisar os materiais que os compõem com uma precisão cada vez mais íntima.
Físicos da Universidade Estadual de Michigan deram um passo muito aguardado nessa frente com uma abordagem que combina microscopia de alta resolução com lasers ultrarrápidos.
A técnica, descrita na revista Fotônica da Naturezapermite que pesquisadores localizem átomos desajustados em semicondutores com precisão inigualável. A física de semicondutores rotula esses átomos como “defeitos”, o que parece negativo, mas eles geralmente são adicionados a materiais de propósito e são criticamente importantes para o desempenho de semicondutores em dispositivos de hoje — e de amanhã.
“Isso é particularmente relevante para componentes com estruturas em nanoescala”, disse Tyler Cocker, titular da Cátedra Jerry Cowen em Física Experimental e líder do novo estudo.
Tyler Cocker (à esquerda), titular da Cátedra Jerry Cowen em Física Experimental na Universidade Estadual de Michigan, junto com os alunos de doutorado Stefanie Adams e Mohamed Hassan no Laboratório de Nanoscopia Ultrarrápida Terahertz. Crédito: Matt Davenport/MSU College of Natural Science
Avanços em materiais em nanoescala
Isso inclui coisas como chips de computador, que rotineiramente fazem uso de semicondutores com recursos em nanoescala. E os pesquisadores estão trabalhando para levar a arquitetura em nanoescala ao extremo, projetando materiais que são um único átomo espesso.
“Esses materiais nanoscópicos são o futuro dos semicondutores”, disse Cocker, que também lidera o Ultrafast Terahertz Nanoscopy Laboratory no Departamento de Física e Astronomia da MSU. “Quando você tem eletrônicos em nanoescala, é realmente importante garantir que os elétrons possam se mover da maneira que você quer.”
Defeitos desempenham um papel importante no movimento dos elétrons, e é por isso que cientistas como Cocker estão ansiosos para aprender precisamente onde eles estão localizados e como se comportam. Os colegas de Cocker ficaram animados ao saber que a nova técnica de sua equipe permitirá que eles obtenham facilmente essas informações.
“Um dos meus colegas disse: 'Espero que você tenha saído e comemorado'”, disse Cocker.
Vedran Jelic, que liderou o projeto como pesquisador de pós-doutorado no grupo de Cocker e agora está no National Research Council Canada, é o primeiro autor do novo relatório. A equipe de pesquisa também incluiu os alunos de doutorado Stefanie Adams, Eve Ammerman e Mohamed Hassan, bem como o pesquisador de graduação Kaedon Cleland-Host.
Cocker acrescentou que a técnica é fácil de implementar com o equipamento certo e que sua equipe já a está aplicando em materiais atomicamente finos, como nanofitas de grafeno.
“Temos vários projetos abertos onde estamos usando a técnica com mais materiais e materiais mais exóticos”, disse Cocker. “Estamos basicamente incorporando isso a tudo o que fazemos e usando isso como uma técnica padrão.”
Os estudantes de doutorado Mohamed Hassan e Stefanie Adams inspecionam uma mesa de óptica para ajustar a luz laser usada na nova técnica da equipe da Michigan State University. Crédito: Matt Davenport/MSU College of Natural Science
Técnicas inovadoras de microscopia
Já existem ferramentas, principalmente microscópios de tunelamento de varredura ou STMs, que podem ajudar os cientistas a identificar defeitos em átomos individuais.
Ao contrário dos microscópios que muitas pessoas reconheceriam das aulas de ciências do ensino médio, os STMs não usam lentes e lâmpadas para ampliar objetos. Em vez disso, os STMs escaneiam a superfície de uma amostra usando uma ponta atomicamente afiada, quase como a caneta de um toca-discos.
Mas a ponta do STM não toca a superfície da amostra, ela apenas se aproxima o suficiente para que os elétrons possam saltar, ou fazer um túnel, entre a ponta e a amostra.
Os STMs registram quantos elétrons saltam e de onde eles saltam, junto com outras informações, para fornecer informações em escala atômica sobre as amostras (por isso o laboratório de Cocker se refere a isso como nanoscopia em vez de microscopia).
Mas os dados do STM por si só nem sempre são suficientes para resolver claramente os defeitos em uma amostra, especialmente no arsenieto de gálio, um importante material semicondutor encontrado em sistemas de radar, células solares de alta eficiência e dispositivos modernos de telecomunicações.
Em sua última publicação, Cocker e sua equipe se concentraram em amostras de arsenieto de gálio que foram intencionalmente infundidas com átomos defeituosos de silício para ajustar a maneira como os elétrons se movem através do semicondutor.
Descoberta e Validação de Defeitos
“O átomo de silício parece basicamente um buraco profundo para os elétrons”, disse Cocker.
Embora os teóricos venham estudando esse tipo de defeito há décadas, os experimentalistas não conseguiram detectar esses átomos individuais diretamente, até agora.
A nova técnica de Cocker e sua equipe ainda usa um STM, mas os pesquisadores também emitem pulsos de laser diretamente na ponta do STM.
Esses pulsos consistem em ondas de luz com frequências de terahertz, o que significa que eles oscilam para cima e para baixo um trilhão de vezes por segundo. Recentemente, teóricos mostraram que essa é a mesma frequência com que defeitos de átomos de silício devem oscilar para frente e para trás dentro de uma amostra de arsenieto de gálio.
Ao acoplar STM e luz terahertz, a equipe da MSU criou uma sonda que tem uma sensibilidade incomparável para defeitos.
Quando a ponta do STM chegou a um defeito de silício na superfície do arsenieto de gálio, um sinal repentino e intenso apareceu nos dados de medição da equipe. Quando os pesquisadores moveram a ponta um átomo de distância do defeito, o sinal desapareceu.
“Aqui estava esse defeito que as pessoas vinham caçando há mais de quarenta anos, e podíamos vê-lo soando como um sino”, disse Cocker.
Conquistas teóricas e práticas
“No começo, foi difícil de acreditar porque é tão distinto”, ele continuou. “Tivemos que medi-lo de todas as maneiras para ter certeza de que era real.”
No entanto, depois que se convenceram de que o sinal era real, foi fácil explicar graças aos anos de trabalho teórico dedicados ao assunto.
“Quando você descobre algo assim, é realmente útil saber que já existem décadas de pesquisa teórica caracterizando-o completamente”, disse Jelic, que, junto com Cocker, também é autor correspondente do novo artigo.
Embora o laboratório de Cocker esteja na vanguarda deste campo, há grupos ao redor do mundo atualmente combinando STMs e luz terahertz. Há também uma variedade de outros materiais que poderiam se beneficiar desta técnica para aplicações além da detecção de defeitos.
Agora que sua equipe compartilhou sua abordagem com a comunidade, Cocker está animado para ver que outras descobertas o aguardam.
Referência: “Espectroscopia de domínio de tempo terahertz em escala atômica” por V. Jelic, S. Adams, M. Hassan, K. Cleland-Host, SE Ammerman e TL Cocker, 4 de julho de 2024, Fotônica da Natureza.
DOI: 10.1038/s41566-024-01467-2
O projeto foi apoiado pelo Escritório de Pesquisa Naval, pelo Escritório de Pesquisa do Exército e pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea.