p Um único nanofio de GaN é removido de uma "floresta" de fios cultivados por epitaxia de feixe molecular. Clique na imagem para ampliá-la mostrando o nanofio sendo colocado em um orifício perfurado em uma sonda AFM. Ambas as imagens têm cores falsas para maior clareza.
p (Phys.org) —Em resposta às solicitações da indústria de semicondutores, uma equipe de pesquisadores de PML demonstrou que pontas de sonda de microscópio de força atômica (AFM) feitas de seus nanofios de nitreto de gálio quase perfeitos são superiores em muitos aspectos às pontas de silício ou platina padrão em medições de importância crítica para a fabricação de microchip, nanobiotecnologia, e outros empreendimentos. p Além disso, os cientistas inventaram um meio de usar simultaneamente as pontas dos nanofios como LEDs para iluminar uma minúscula região da amostra com radiação óptica durante a varredura, adicionando uma dimensão inteiramente nova à caracterização de materiais e dispositivos nanoeletrônicos.
p Por si próprio, um AFM fornece informações topográficas em resolução nanométrica enquanto sua ponta de prova - na faixa de 100 nm de largura e suspensa de um braço cantilever - faz a varredura em uma superfície de amostra. Quando a ponta é usada ao mesmo tempo para transmitir e receber continuamente um sinal de microondas, o sistema torna-se capaz de revelar concentrações de portadores de carga ou locais de defeitos em regiões específicas de materiais e dispositivos em nanoescala.
p Essa técnica, chamada microscopia de varredura de micro-ondas de campo próximo (NSMM), nunca antes foi tentado usar uma sonda de nanofio. Mas, como a equipe mostrou em um artigo recente na revista Applied Physics Letters, pontas de sonda de nanofios superaram substancialmente as pontas Pt comerciais em resolução e durabilidade.
p "Um grande problema para as sondas de platina, "diz Kris Bertness, Líder de Projeto de Metrologia e Síntese de Nanoestruturas 3D na Divisão de Eletrônica Quântica e Fotônica, "é que se você os deforma um pouco, e sua forma muda, sua calibração foi perdida. Porque eles estão capacitivamente acoplados à amostra, a forma é tudo.
p "Por contraste, nossas pontas de prova de nanofio têm uma vida útil de calibração cerca de 10 vezes maior do que qualquer ponta comercial. Não vemos desgaste visível depois de realizar dezenas de varreduras, enquanto a platina se deforma, perdendo resolução e calibração, após cinco a dez varreduras. "Em uma série de 12 varreduras, o raio da ponta de Pt mudou de ~ 50 nm para ~ 150 nm. O nanofio, Contudo, manteve suas dimensões originais. Além disso, as pontas de GaN exibiram sensibilidade aprimorada e incerteza reduzida em comparação com uma ponta de Pt comercial.
p Iluminar uma amostra NSMM com um laser convencional traz a luz em um ângulo e aumenta muito o espaço ocupado pelo aparelho.
p O NSMM pode produzir imagens muito detalhadas da densidade local de portadores de carga positiva e negativa dentro de uma nanoestrutura - informações de grande significado prático para fabricantes de microdispositivos - e os cientistas da Divisão de Eletromagnetismo da PML fizeram progressos notáveis na técnica. Eles acreditam que o uso de sondas de nanofios, em conjunto com a recente chegada de um novo, feito sob encomenda, instrumento NSMM de quatro sondas, irá revelar novos aspectos da composição e desempenho da nanoestrutura. Em materiais biológicos, pode localizar a ligação de agentes químicos ou partículas que estão ligadas a uma célula, e ajuda no estudo da dinâmica das proteínas.
p A implantação de um nanofio como ponta de prova parece extremamente simples. Os pesquisadores obtêm um cantilever e sonda AFM convencionais, remova a ponta existente, e usar um dispositivo chamado feixe de íons focalizado para perfurar um orifício de cerca de 5 micrômetros de profundidade na montagem da ponta. Então, usando um manipulador minúsculo, eles quebram um único nanofio de uma "floresta" deles crescido por epitaxia de feixe molecular, insira o fio no orifício, e soldar no lugar. Finalmente, o fio é revestido com finas camadas de titânio (20 nm) e alumínio (200 nm) para conduzir o sinal de microondas até o final da ponta e vice-versa.
p Os pesquisadores testaram sua ponta contra uma ponta de silicone, uma ponta de platina, e um nanofio GaN não revestido, cada um dos quais foi escaneado em uma série de microcapacitores de tamanhos diferentes. O nanofio revestido provou ser duas vezes mais sensível que a sonda Pt, e quatro vezes mais sensível que os outros, com desempenho mecânico superior. "Isso pode ser extremamente importante para caracterizar a próxima geração de dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos avançados, "Bertness diz. No momento, apenas algumas sondas GaN podem ser feitas de uma vez, mas a equipe está trabalhando no desenvolvimento de ideias para produzi-los em quantidades na escala de wafer.
p Ao mesmo tempo, os pesquisadores se preparam para testar uma nova tecnologia para a qual conquistaram a patente em julho, 2013:Usando a ponta do nanofio como fonte de luz, dopando-a para que funcione como um LED. A radiação óptica pode servir para excitar a amostra de uma maneira diferente do sinal de microondas, e os cientistas já estão usando lasers para iluminar amostras em nanoescala durante varreduras AFM.
p "O problema com essa abordagem, "diz o pesquisador veterano de NSMM Pavel Kabos do Programa de Dispositivos de Alta Frequência Avançada na Divisão Eletromagnetica da PML, "é que o laser tem que brilhar lateralmente. Como resultado, você obtém sombras projetadas e incerteza significativa quanto a exatamente qual área está sendo iluminada. E, claro, o laser e sua montagem ocupam muito espaço.
p "Com o novo design, a iluminação será aplicada diretamente sobre a ponta da sonda no mesmo local da amostra que está sendo exposta ao sinal de microondas. Isso pode ser particularmente benéfico na caracterização de materiais fotovoltaicos, onde você pode aplicar uma luz e obter a concentração de portador ao mesmo tempo. A unidade inteira pode ser muito menor, e a fonte de luz em nanoescala permite que você injete alguns portadores muito localmente, de uma forma que você não pode fazer com outros métodos. "Para pesquisar a próxima geração de materiais fotovoltaicos, Bertness diz, "Temos usado iluminação por inundação. Mas o que queremos ver é como os grãos individuais respondem à luz. A técnica de LED pode tornar isso possível. Em aplicações biológicas, esperamos que forneça uma melhoria de ordem de magnitude na capacidade de investigar processos como a dinâmica de proteínas. "
p O novo, instrumento NSMM de quatro sondas tem quatro pontas, permitindo comparações simultâneas de materiais. As sondas são colocadas em uma câmara de ultra-alto vácuo para minimizar a interferência e contaminação.
p Alcançar esse objetivo exigirá mais pesquisas sobre como dopar os nanofios de GaN de modo a aumentar a eficiência da produção de luz, e como coordenar e integrar medições topográficas, microondas, e modalidades ópticas.
p Mas Bertness está otimista. "Demorou dez anos de trabalho duro para aprender como fabricar e caracterizar esses materiais, e desenvolvemos muitas técnicas importantes de metrologia ao longo do caminho. Mas nós realmente não fomos capazes de testar nanofios como pontas de sondas até alguns meses atrás, quando as instalações de imagem de precisão do laboratório de Boulder ganharam um feixe de íons focalizado. Esses resultados iniciais nos dão a confiança de que esta tecnologia impactará uma ampla gama de problemas de ciência e tecnologia, onde conhecer as propriedades dos materiais na escala de micrômetro e nanômetro é crucial, da eletrônica de semicondutores à bioquímica e medicina. "
