Группа исследователей из Университета штата Мичиган использовала терагерцовую сканирующую туннельную микроскопию и спектроскопию, управляемую световыми волнами, для исследования нанолент графена (7-AGNR) шириной в 7 атомов на сверхмалых высотах. Они обнаружили сильно локализованные волновые функции на краях ГНР, которых не удалось обнаружить с помощью обычных сканирующих туннельных микроскопов.

Проектирование передовых оптоэлектронных устройств требует разработки диагностических инструментов, работающих в нанометровом масштабе. Терагерцовое излучение становится важным инструментом в развитии новых технологий.

Для достижения наноразмерного разрешения терагерцовые сканирующие зондовые микроскопы вводят терагерцовое излучение в субволновые зонды. Это открывает новые возможности для точного описания динамики волновых функций в наноструктурах и служит хорошим предзнаменованием для будущих оптоэлектронных устройств, адаптированных за счет модуляции локальных электронных свойств.

Краткое руководство по сканирующей зондовой микроскопии

С тех пор, как в 1981 году двумя исследователями IBM был изобретен сканирующий туннельный микроскоп, сканирующие зондовые микроскопы стали основой инноваций в материаловедении, выявляя морфологию, топографию и состав структур в нанометровом масштабе.

Многие типы сканирующих зондовых микроскопов включают сканирующие туннельные микроскопы, атомно-силовые микроскопы и сканирующие электрохимические микроскопы. Они выявляют гораздо больше деталей, чем обычные оптические микроскопы, потому что они используют электронные волны вместо световых, чтобы «видеть» объекты. Поскольку длины волн электронов в сотни тысяч раз меньше, чем длины волн оптического излучения, электронные микроскопы могут разрешать объекты в сотни тысяч раз меньше, чем оптические микроскопы.

В сканирующих электронных микроскопах микроскопический зонд сканирует образец с помощью электронного луча, так что рассеянные электроны могут быть проанализированы для формирования изображения.

Изучение графеновых нанолент (ГНЛ) имеет важное значение для разработки новых наноэлектронных устройств. Графеновые наноленты представляют собой полоски графена шириной менее 100 нм. Графен – один из многих аллотропов углерода, алмаз и графит – два других хорошо известных аллотропа углерода.

На наномасштабе эффекты электронного ограничения и краевые структуры определяют свойства графена. В зигзагообразных краевых структурах GNR каждый краевой сегмент находится под углом, противоположным предыдущему. В краевых конструкциях кресел каждая пара сегментов повернута на 120 градусов по отношению к предыдущей паре. Краевые конструкции кресел бывают металлическими или полупроводниковыми. Зигзагообразные краевые структуры всегда металлические.

Сканирующая туннельная микроскопия, управляемая световыми волнами (СТМ), открывает новое измерение микроскопии с атомным разрешением. Управление световыми волнами экстремальных туннельных токов (и других полей) порождает сверхбыстрые поля, которые могут работать в режимах, недоступных для обычных статических полей СТМ.

Световолновая сканирующая туннельная микроскопия

Команда из Университета штата Мичиган при поддержке Швейцарской федеральной лаборатории материаловедения и технологий и Университета Берна вырастила графеновые наноленты из молекулярных предшественников на чистой золотой (Au) подложке с использованием синтеза на поверхности. Для своего исследования они выбрали 7-атомные ГНЛ с кресельными краями (7-AGNR).

Команда показала, что дифференциальная проводимость на поверхности золотой подложки очень чувствительна к боковому движению нанозонда микроскопа. Таким образом, создание карт дифференциальной проводимости путем комбинирования сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) и спектроскопии (СТС) позволяет выявить локальную плотность электронных состояний (LDOS) образца как функцию положения и энергии

.

Терагерцовую спектроскопию (THz-STS) выполняли как функцию трехмерного позиционирования над GNR. Это позволило команде извлечь данные о дифференциальной проводимости, полученные с помощью световолновой туннельной микроскопии с разрешением Ангстрема (10 ^-10 метров) по горизонтали и субангстрему по вертикали. Они также представили управляемую световыми волнами сканирующую туннельную томографию, где изображения ТГц-СТМ постоянной высоты показали переход от туннелирования, в котором преобладают занятые состояния в валентных зонах ГНР, к туннелированию, в котором преобладают незанятые состояния в зонах проводимости.

Команда применила пространственно-зависимый THz-STS, чтобы отделить внутренние свойства 7-AGNR на сверхмалой высоте наконечника зонда от процесса туннелирования, управляемого световыми волнами. Они определили сверхнизкую высоту иглы как расстояния, на которых орбитально-избирательное изображение с помощью обычного СТМ с s-волновым зондом становится невозможным, поскольку постоянный ток может повредить зонд или образец.

Энергетические положения и ширина были ограничены подбором данных спектроскопии. Для регистрации профиля терагерцового импульса на кончике зонда использовалась сверхбыстрая фотоэмиссия. Сочетания этого с данными о дифференциальной проводимости было достаточно для воспроизведения изображения в заданном положении зонда.

Управляемая световыми волнами (терагерцовая) сканирующая туннельная микроскопия, спектроскопия и томография ГНЛ открывают новые возможности для наноразмерной инженерии новых материалов.

Ссылки и дополнительная литература

Аммерман, С.Е., и др. ., (2021) Сканирующая туннельная спектроскопия с использованием световых волн графеновых нанолент атомарной точности. Nature Communications [online] Доступно по адресу: https://doi.org/10.1038/s41467-021-26656-3[19459005provided

Отказ от ответственности: мнения, выраженные здесь, принадлежат автору, выраженному в их личном качестве, и не обязательно отражают точку зрения AZoM.com Limited T / A AZoNetwork, владельца и оператора этого веб-сайта. Этот отказ от ответственности является частью Условий использования этого веб-сайта.