p (Phys.org) —A capacidade do NIST de determinar a composição e a física de materiais e dispositivos em nanoescala está prestes a melhorar drasticamente com a chegada de um novo microscópio de varredura por micro-ondas de campo próximo (NSMM). p O nome pode ser um bocado, mas os NSMMs merecem cada sílaba. Poucas técnicas podem fazer medições de resolução equivalente para uma gama tão ampla de amostras, incluindo semicondutores, nanofio semicondutor, materiais para aplicações fotovoltaicas, materiais magnéticos, materiais multiferróicos, e até proteínas e DNA.

p Pesquisadores da Divisão Eletromagnética da PML, usando NSMMs comerciais e caseiros existentes, foram os pioneiros em muitas aplicações, notavelmente incluindo a determinação da distribuição de dopante semicondutor (isto é, concentrações de portadores de carga) em 2D e 3D. Essa capacidade é exigida por uma variedade de tecnologias emergentes, como eletrônica molecular, nanotubos de carbono, nanofios, grafeno, e eletrônica baseada em spin. Espera-se que o novo instrumento acelere significativamente esse progresso.

p "Basicamente, o que estamos fazendo é usar a resolução espacial muito fina de instrumentos de sondagem de varredura, como microscópios de tunelamento de varredura ou microscópios de força atômica (AFM) e combiná-la com a compatibilidade de banda larga de medições de microondas, "diz Mitch Wallis do Radio-Frequency Electronics Group." Nossa motivação é que queremos olhar para coisas como ressonância magnética ou ressonância mecânica em nanoescala usando microondas. Se você olhar para o seu telefone celular ou computador, estão todos operando na faixa de alguns gigahertz. Portanto, temos que medir os objetos em nanoescala que constituem esses dispositivos para compreender como eles atuam nessas frequências. De outra forma, será muito mais difícil integrá-los em dispositivos comerciais úteis. "

p Em linhas gerais, uma configuração NSMM consiste em um microscópio de força atômica combinado com um sinal de micro-ondas contínuo ou pulsado aplicado à ponta do AFM. A ponta varre a amostra em um contato suave ou a uma distância de alguns nanômetros acima da superfície, emitir um sinal de micro-ondas que é espalhado pelo material, alterando sua frequência, amplitude e outras propriedades. A natureza do sinal alterado retornando à ponta - que também serve como antena receptora - depende criticamente de variáveis ​​como permeabilidade, permissividade, resistência da folha, constante dielétrica, impedância, ou a maneira pela qual a capacitância muda com a tensão, que por sua vez são determinados pela composição física do objeto sob investigação.

p "Medindo o sinal espalhado dependente da frequência, temos, na verdade, outro botão para girar, "diz o pesquisador veterano Pavel Kabos, do Programa de Dispositivos de Alta Frequência Avançada." E muito recentemente, pudemos examinar propriedades locais de amostras em dimensões extremamente pequenas, muito perto do nível de uma única molécula.

p Isso é de grande interesse, por exemplo, para projetistas e fabricantes de microchip que precisam conhecer o perfil de dopagem em torno de uma porta de transistor ou fonte ou dreno em um chip de memória de acesso aleatório dinâmico. "

p As informações espaciais registradas pela ponta de varredura são mescladas com os dados do sinal de microondas de retorno em cada ponto em uma área designada (normalmente alguns micrômetros quadrados) para criar uma imagem composta. Os NSMMs podem ser ajustados para produzir imagens em profundidades que variam de submicrométricas a 100 µm abaixo da superfície. "Então, por exemplo, se você tiver uma fina camada de metal no topo da amostra e um material piezoelétrico por baixo, você pode ver o que está acontecendo com o material piezoelétrico através da folha de metal, "Kabos diz.

p Pode parecer contra-intuitivo que comprimentos de onda da ordem de um centímetro até alguns milímetros possam fornecer resolução em escala nanométrica. "É uma espécie de paradoxo, "Kabos diz, "até você olhar para as dimensões envolvidas. A ponta afiada do AFM tem apenas cerca de 100 nanômetros de largura, e está posicionado a apenas alguns nanômetros da superfície ou em contato suave com a amostra. É a elevação da ponta que governa a resolução. A distância da ponta é muito menor do que o comprimento de onda do sinal que os efeitos de 'campo próximo' predominam, permitindo resolução em nanômetros e altamente precisa, medições quantitativas. "

p Os pesquisadores podem alterar a tensão da ponta e a frequência de microondas para examinar diferentes aspectos da amostra. Por exemplo, em um artigo de 2012, Atif Imtiaz e colegas PML, junto com pesquisadores da fabricante de instrumentos Agilent Technologies, Inc., mostrou como a alteração do viés da ponta revela a densidade de portadora local em um semicondutor, e, portanto, o perfil dopante de uma região. “Dependendo do sinal do viés aplicado à ponta, os portadores de carga no semicondutor são atraídos ou esgotados da superfície, formando uma região de carga espacial, "escrevem os autores.

p Como a largura dessa região também é função da densidade do portador, fornece uma medida sensível da composição do dopante. "Muito recentemente, "Kabos diz, "pudemos olhar para uma área de 3 micrômetros de largura e ver como o doping é distribuído na junção P-N, bem como localizar a junção com precisão. "

p Alternativamente, alterar a frequência de microondas revela outras propriedades. "O mesmo material pode parecer muito diferente em 5, 7, ou 18 GHz, "Kabos diz." Portanto, não podemos apenas determinar o perfil de doping localmente, mas também observe o desempenho de uma determinada frequência em uma determinada região. "

p O novo dispositivo, programado para uma chegada no outono, fornecerá muitos novos recursos. Os instrumentos existentes possuem uma única ponta aberta ao ar. O novo NSMM tem quatro dicas, permitindo comparações simultâneas de materiais, e é colocado em uma câmara de ultra-alto vácuo para minimizar a interferência do sinal e a contaminação da amostra. Ele também possui uma câmara de preparação de amostra a vácuo e controle de temperatura de cerca de 30 K até a temperatura ambiente.

p Entre outros usos, o novo instrumento permitirá que os pesquisadores explorem com muito mais detalhes as propriedades que afetam a adequação de vários materiais, operando em frequências de microondas, para uso em eletrônica e bioeletrônica em nanoescala, bem como tecnologias emergentes para aplicações spintrônicas ou fasetrônicas em configurações de camada única e multicamadas.

p Pesquisas futuras abordarão várias áreas importantes. Um é o possível desenvolvimento de materiais de referência. Esse esforço implicará na criação de dados confiáveis, modelos quantitativos para estimar propriedades locais de materiais e dispositivos. Outra área envolve a comparação e análise de mudanças resultantes de diferentes variáveis, combinando espectroscopia dependente de voltagem e dependente de frequência. Há um interesse considerável, por exemplo, na medição da derivada da fase entre o incidente e o sinal refletido da carga ponta-a-amostra, bem como a derivada de capacitância medida atualmente em função da tensão. Esse trabalho pode fornecer melhorias significativas para a relação sinal-ruído, melhorando a sensibilidade às concentrações de água em amostras biológicas e potencialmente permitindo a imagem de células biológicas vivas em solução salina. Finalmente, há planos para desenvolver configurações NSMM de duas e várias sondas que podem medir elementos complexos de matriz de espalhamento de multiporta em micro-ondas para estudos de transporte de banda larga de sistemas como spintrônica de alta frequência e nanoeletrônica baseada em carbono.