物理學家開發了一種突破性技術，利用高分辨率顯微鏡和超快激光精確識別半導體中的缺陷。

這種新方法在納米級組件中特別有效，使得觀察原子缺陷周圍電子運動的細節前所未有地清晰，大大推動了半導體物理領域的發展，并為像石墨烯這樣的材料帶來了新的可能性。

先進的半導體分析

將越來越智能和強大的電子設備裝入不斷縮小的設備中的一個挑戰是開發能夠以越來越精細的精度分析其組成材料的工具和技術。

密歇根州立大學的物理學家在這方面邁出了期待已久的一步，他們采用了一種結合高分辨率顯微鏡和超快激光的方法。

這種技術在《自然光子學》雜志上進行了描述，使研究人員能夠以無與倫比的精度發現半導體中的錯配原子。半導體物理學將這些原子稱為“缺陷”，這個詞聽起來很負面，但實際上這些原子通常是有意添加到材料中的，對于今天及未來設備中半導體的性能至關重要。

“這對于具有納米級結構的組件尤為重要，”新研究的領導者、實驗物理學的Jerry Cowen講席教授Tyler Cocker說。

密歇根州立大學的超快太赫茲納米顯微鏡實驗室

納米級材料的進展

這包括像計算機芯片這樣的東西，這些芯片經常使用具有納米級特征的半導體。研究人員正在努力將納米級架構推向極限，工程材料厚度僅為一個原子。

“這些納米級材料是半導體的未來，”同時領導密歇根州立大學物理與天文學系超快太赫茲納米顯微鏡實驗室的Cocker說。“當你擁有納米級電子設備時，確保電子能夠按照你的意愿移動非常重要。”

缺陷在電子運動中起著重要作用，這就是為什么像Cocker這樣的科學家急于精確了解它們的位置和行為。Cocker的同行們對他團隊的新技術感到興奮，因為它能讓他們輕松獲取這些信息。

“我的一個同事說，‘我希望你們出去慶祝了，’”Cocker說。

Vedran Jelic是這項研究的第一作者，他在Cocker的團隊中擔任博士后研究員，現在在加拿大國家研究委員會工作。研究團隊還包括博士生Stefanie Adams、Eve Ammerman和Mohamed Hassan，以及本科生研究員Kaedon Cleland-Host。

Cocker補充說，這項技術在有合適設備的情況下很容易實施，他的團隊已經在將其應用于像石墨烯納米帶這樣的原子薄材料。

“我們有許多開放項目，使用這種技術與更多材料和更奇特的材料進行合作，”Cocker說。“我們基本上將其納入我們所做的一切，并將其作為標準技術使用。”

創新的顯微技術

目前已有工具，特別是掃描隧道顯微鏡（STM），可以幫助科學家發現單原子缺陷。

與許多人在高中科學課上認識的顯微鏡不同，STM不使用透鏡和燈泡來放大物體。相反，STM使用原子級尖端掃描樣品表面，幾乎就像唱片播放器上的唱針一樣。

但STM探針并不接觸樣品表面，它只是靠得足夠近，以至于電子可以在探針和樣品之間跳躍或隧穿。

STM記錄跳躍的電子數量及其來源等信息，以提供樣品的原子級信息（因此Cocker的實驗室稱其為納米顯微技術而不是顯微技術）。

但STM數據本身并不足以清晰地解析樣品中的缺陷，特別是在砷化鎵這種重要的半導體材料中，這種材料存在于雷達系統、高效太陽能電池和現代電信設備中。

在他們的最新出版物中，Cocker和他的團隊專注于含有故意注入硅缺陷原子的砷化鎵樣品，以調節電子在半導體中的移動方式。

缺陷的發現和驗證

“硅原子對電子來說基本上看起來像一個深坑，”Cocker說。

盡管理論家們已經研究這種缺陷幾十年，但實驗人員直到現在還無法直接檢測到這些單個原子。

Cocker和他的團隊的新技術仍然使用STM，但研究人員還在STM探針上照射激光脈沖。

這些脈沖由太赫茲頻率的光波組成，這意味著它們每秒抖動一萬億次。最近，理論家們已經表明，這與硅原子缺陷在砷化鎵樣品中的抖動頻率相同。

通過將STM和太赫茲光結合，密歇根州立大學團隊創建了一個對缺陷具有無與倫比靈敏度的探測器。

當STM探針接觸到砷化鎵表面上的硅缺陷時，測量數據中出現了突然的強烈信號。當研究人員將探針移動到離缺陷一個原子的位置時，信號消失了。

“這是人們尋找了四十多年的缺陷，我們能看到它像鐘一樣響起，”Cocker說。

理論和實際成就

“起初很難相信，因為它太明顯了，”他繼續說道。“我們不得不以各種方式測量它，以確定這是真的。”

一旦他們確信信號是真的，解釋起來就很容易了，因為已經有幾十年的理論研究對其進行了詳細描述。

“當你發現這樣的東西時，已經有幾十年的理論研究對其進行了徹底的描述，這真的很有幫助，”Jelic說，他與Cocker一樣也是新論文的通訊作者。

盡管Cocker的實驗室在這一領域處于前沿，但世界各地的研究小組目前也在結合STM和太赫茲光。還有各種其他材料可以從這種技術中受益，應用范圍超出了檢測缺陷的范疇。

現在他的團隊已經與社區分享了這種方法，Cocker對其他發現充滿期待。