Universitas Negeri Michigan menggabungkan sinar laser terahertz, yang ditunjukkan sebagai panah bergelombang berwarna merah, dengan ujung mikroskop terowongan pemindaian, atau STM — bentuk piramida gelap yang menukar elektron merah dengan sampel yang ditunjukkan dengan permukaan berwarna biru. Kredit: Eve Ammerman
Para fisikawan telah mengembangkan teknik inovatif menggunakan mikroskop resolusi tinggi dan laser ultra cepat untuk mengidentifikasi cacat secara tepat semikonduktor.
Metode baru ini sangat efektif dalam skala nano komponen, memungkinkan detail yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam mengamati pergerakan elektron di sekitar cacat atom, secara signifikan memajukan bidang fisika semikonduktor dan menjanjikan kemungkinan baru untuk bahan seperti graphena.
Analisis Semikonduktor Lanjutan
Salah satu tantangan dalam menjejalkan perangkat elektronik yang lebih cerdas dan lebih canggih ke dalam perangkat yang semakin mengecil adalah mengembangkan alat dan teknik untuk menganalisis bahan-bahan yang menyusunnya dengan tingkat presisi yang semakin tinggi.
Fisikawan di Michigan State University telah mengambil langkah yang telah lama ditunggu-tunggu di bidang itu dengan pendekatan yang menggabungkan mikroskopi resolusi tinggi dengan laser sangat cepat.
Teknik ini dijelaskan dalam jurnal Fotonik Alammemungkinkan peneliti untuk menemukan atom yang tidak sesuai dalam semikonduktor dengan presisi yang tak tertandingi. Fisika semikonduktor melabeli atom-atom ini sebagai “cacat,” yang kedengarannya negatif, tetapi biasanya atom-atom ini ditambahkan ke material dengan sengaja dan sangat penting bagi kinerja semikonduktor dalam perangkat saat ini — dan di masa mendatang.
“Hal ini khususnya relevan untuk komponen dengan struktur berskala nano,” kata Tyler Cocker, Ketua Jerry Cowen Endowed dalam Fisika Eksperimental dan pemimpin studi baru tersebut.
Tyler Cocker (kiri), Jerry Cowen Endowed Chair dalam Fisika Eksperimental di Michigan State University, bersama dengan mahasiswa doktoral Stefanie Adams dan Mohamed Hassan di Laboratorium Nanoskopi Terahertz Ultracepat. Kredit: Matt Davenport/Fakultas Ilmu Pengetahuan Alam MSU
Kemajuan dalam Material Skala Nano
Hal ini mencakup hal-hal seperti chip komputer, yang secara rutin menggunakan semikonduktor dengan fitur skala nano. Dan para peneliti berupaya untuk membawa arsitektur skala nano ke tingkat yang ekstrem dengan merekayasa material yang merupakan satu kesatuan. atom tebal
“Material nanoskopik ini adalah masa depan semikonduktor,” kata Cocker, yang juga memimpin Laboratorium Nanoskopi Terahertz Ultracepat di Departemen Fisika dan Astronomi di MSU. “Ketika Anda memiliki elektronik berskala nano, sangat penting untuk memastikan bahwa elektron dapat bergerak sesuai keinginan Anda.”
Cacat berperan besar dalam gerakan elektron tersebut, itulah sebabnya ilmuwan seperti Cocker ingin mempelajari secara tepat di mana letaknya dan bagaimana perilakunya. Rekan-rekan Cocker sangat gembira mengetahui bahwa teknik baru timnya akan memudahkan mereka memperoleh informasi tersebut.
“Salah satu rekan saya berkata, ‘Saya harap Anda keluar dan merayakannya,’” kata Cocker.
Vedran Jelic, yang mempelopori proyek tersebut sebagai peneliti pascadoktoral di kelompok Cocker dan sekarang bekerja di National Research Council Canada, adalah penulis pertama laporan baru tersebut. Tim peneliti tersebut juga mencakup mahasiswa doktoral Stefanie Adams, Eve Ammerman, dan Mohamed Hassan, serta peneliti tingkat sarjana Kaedon Cleland-Host.
Cocker menambahkan bahwa teknik ini mudah diimplementasikan dengan peralatan yang tepat dan timnya sudah menerapkannya pada material setipis atom seperti pita nano grafena.
“Kami memiliki sejumlah proyek terbuka di mana kami menggunakan teknik ini dengan lebih banyak bahan dan bahan yang lebih eksotis,” kata Cocker. “Kami pada dasarnya menggabungkannya ke dalam semua yang kami lakukan dan menggunakannya sebagai teknik standar.”
Mahasiswa doktoral Mohamed Hassan dan Stefanie Adams memeriksa meja optik untuk menyetel cahaya laser yang digunakan dalam teknik baru tim Universitas Negeri Michigan. Kredit: Matt Davenport/Fakultas Ilmu Pengetahuan Alam MSU
Teknik Mikroskopi Inovatif
Sudah ada peralatan, terutama mikroskop pemindaian terowongan atau STM, yang dapat membantu ilmuwan menemukan cacat atom tunggal.
Tidak seperti mikroskop yang banyak orang kenali dari pelajaran sains di sekolah menengah, STM tidak menggunakan lensa dan bola lampu untuk memperbesar objek. Sebaliknya, STM memindai permukaan sampel menggunakan ujung yang sangat tajam, hampir seperti stylus pada pemutar rekaman.
Namun, ujung STM tidak menyentuh permukaan sampel, ia hanya cukup dekat sehingga elektron dapat melompat, atau membuat terowongan, antara ujung dan sampel.
STM merekam berapa banyak elektron yang melompat dan dari mana mereka melompat, bersama dengan informasi lainnya, untuk menyediakan informasi skala atom tentang sampel (dengan demikian, mengapa lab Cocker menyebutnya sebagai nanoskopi, bukan mikroskopi).
Tetapi data STM saja tidak selalu cukup untuk mengatasi cacat secara jelas dalam suatu sampel, terutama pada galium arsenida, bahan semikonduktor penting yang ditemukan dalam sistem radar, sel surya efisiensi tinggi, dan perangkat telekomunikasi modern.
Untuk publikasi terbaru mereka, Cocker dan timnya berfokus pada sampel galium arsenida yang sengaja dimasukkan dengan atom cacat silikon untuk mengatur bagaimana elektron bergerak melalui semikonduktor.
Penemuan dan Validasi Cacat
“Atom silikon pada dasarnya tampak seperti lubang yang dalam bagi elektron,” kata Cocker.
Meskipun para ahli teori telah mempelajari jenis cacat ini selama beberapa dekade, para eksperimentalis belum dapat mendeteksi atom tunggal ini secara langsung, hingga sekarang.
Teknik baru Cocker dan timnya masih menggunakan STM, tetapi para peneliti juga menyinari pulsa laser tepat di ujung STM.
Pulsa ini terdiri dari gelombang cahaya dengan frekuensi terahertz, yang berarti pulsa ini bergerak naik turun satu triliun kali per detik. Baru-baru ini, para ahli teori telah menunjukkan bahwa frekuensi ini sama dengan frekuensi yang seharusnya digunakan untuk menggerakkan cacat atom silikon di dalam sampel galium arsenida.
Dengan menggabungkan STM dan cahaya terahertz, tim MSU menciptakan sebuah penyelidikan yang memiliki kepekaan yang tak tertandingi terhadap cacat.
Ketika ujung STM menemukan cacat silikon pada permukaan galium arsenida, sinyal kuat yang tiba-tiba muncul dalam data pengukuran tim. Ketika para peneliti memindahkan ujung satu atom menjauh dari cacat, sinyal tersebut menghilang.
“Inilah cacat yang telah dicari orang selama lebih dari empat puluh tahun, dan kami dapat melihatnya berbunyi seperti lonceng,” kata Cocker.
Pencapaian Teoritis dan Praktis
“Awalnya, sulit dipercaya karena sangat berbeda,” lanjutnya. “Kami harus mengukurnya dengan berbagai cara untuk memastikan bahwa ini nyata.”
Namun, begitu mereka yakin sinyal itu nyata, hal itu mudah dijelaskan berkat kerja teori selama bertahun-tahun yang dikhususkan untuk subjek tersebut.
“Ketika Anda menemukan sesuatu seperti ini, sungguh membantu jika sudah ada penelitian teoritis selama puluhan tahun yang mengkarakterisasikannya secara menyeluruh,” kata Jelic, yang bersama Cocker, juga merupakan penulis korespondensi pada makalah baru tersebut.
Meskipun laboratorium Cocker merupakan yang terdepan dalam bidang ini, ada beberapa kelompok di seluruh dunia yang saat ini menggabungkan STM dan cahaya terahertz. Ada juga berbagai material lain yang dapat memanfaatkan teknik ini untuk aplikasi di luar pendeteksian cacat.
Sekarang setelah timnya berbagi pendekatannya dengan masyarakat, Cocker bersemangat untuk melihat penemuan-penemuan lain apa yang menanti.
Referensi: “Spektroskopi domain waktu terahertz skala atom” oleh V. Jelic, S. Adams, M. Hassan, K. Cleland-Host, SE Ammerman dan TL Cocker, 4 Juli 2024, Fotonik Alam.
DOI: 10.1038/s41566-024-01467-2
Proyek ini didukung oleh Kantor Penelitian Angkatan Laut, Kantor Penelitian Angkatan Darat, dan Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara.
