Fig.1 (a) Ilustração esquemática da configuração da medição. A amostra de filme fino C60 tem uma estrutura que consiste em várias camadas. (b) Instantâneos da dinâmica do elétron obtidos sobre a área mostrada na imagem STM inferior. Cada instantâneo representa a distribuição de elétrons livres em 1, 3, 14, e 29 ps após a excitação do pulso IR. A parte inferior é a imagem STM da área de medição, e a localização indicada pela linha pontilhada na imagem STM mostra as etapas formadas pelas camadas moleculares. A cor vermelha (azul) representa a área com maior (menor) densidade de elétrons. A densidade de elétrons diminuiu no lado superior das etapas conforme a cor muda de vermelho para azul, enquanto os elétrons permaneceram iguais a 29 ps após a excitação de IV no lado inferior, pois a cor permanece vermelha. Crédito:Universidade de Tsukuba
Uma equipe de pesquisadores da Faculdade de Ciências Puras e Aplicadas da Universidade de Tsukuba filmou o movimento ultrarrápido dos elétrons com resolução espacial subnanoescala. Este trabalho fornece uma ferramenta poderosa para estudar o funcionamento de dispositivos semicondutores, o que pode levar a dispositivos eletrônicos mais eficientes.
A capacidade de construir smartphones e chips de computador cada vez menores e mais rápidos depende da capacidade dos fabricantes de semicondutores de entender como os elétrons que carregam informações são afetados por defeitos. Contudo, esses movimentos ocorrem na escala de trilionésimos de segundo, e eles só podem ser vistos com um microscópio que pode gerar imagens de átomos individuais. Pode parecer uma tarefa impossível, mas isso é exatamente o que uma equipe de cientistas da Universidade de Tsukuba foi capaz de realizar.
O sistema experimental consistia em moléculas de carbono Buckminsterfullerene - que têm uma semelhança incrível com bolas de futebol costuradas - dispostas em uma estrutura de múltiplas camadas sobre um substrato de ouro. Primeiro, um microscópio de tunelamento de varredura foi instalado para capturar os filmes. Para observar o movimento dos elétrons, um pulso de bomba eletromagnética infravermelho foi aplicado para injetar elétrons na amostra. Então, após um intervalo de tempo definido, um único pulso de terahertz ultrarrápido foi usado para sondar o local das eleições. Aumentar o atraso permitiu que o próximo "quadro" do filme fosse capturado. Esta nova combinação de microscopia de varredura por tunelamento e pulsos ultrarrápidos permitiu que a equipe alcançasse uma resolução espacial sub-nanoescala e uma resolução de tempo próxima a picossegundos pela primeira vez. "Usando nosso método, pudemos ver claramente os efeitos das imperfeições, como uma vacância molecular ou distúrbio de orientação, "explica o primeiro autor, o professor Shoji Yoshida. A captura de cada quadro levou apenas cerca de dois minutos, o que permite que os resultados sejam reproduzíveis. Isso também torna a abordagem mais prática como uma ferramenta para a indústria de semicondutores.
"Esperamos que esta tecnologia ajude a liderar o caminho para a próxima geração de eletrônicos orgânicos, ", disse o autor sênior, o professor Hidemi Shigekawa. Compreendendo os efeitos das imperfeições, algumas vagas, impurezas, ou defeitos estruturais podem ser introduzidos propositadamente em dispositivos para controlar sua função.
Fig.2 Dinâmica de elétrons em torno de um defeito molecular desorientado. (a) Imagem STM e instantâneos obtidos sobre uma área incluindo o defeito indicado pela seta branca. Instantâneos mostram claramente que os elétrons ainda estavam presos no único defeito brilhante, mesmo 63 ps após a excitação do pulso de infravermelho, conforme mostrado em (b). O defeito parece mais brilhante do que as outras moléculas C60 por causa da armadilha de elétrons no sítio molecular único. Crédito:Universidade de Tsukuba
