Roman Nanoscale Ultra

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Les semi-conducteurs sont des composants fondamentaux de l'énergie moderne, de la communication et d'une myriade d'autres technologies. La recherche sur l'adaptation de la nanostructure sous-jacente des semi-conducteurs pour optimiser les performances des dispositifs est en cours depuis des décennies. Maintenant, dans une étude récemment publiée dans Scientific Reports, des chercheurs de l'Université de Tsukuba et un partenaire collaborateur UNISOKU Co., LTD., ont facilité le développement de la technologie - microscopie à effet tunnel (STM) facile à utiliser et résolue en temps - pour mesurer le mouvement des électrons dans les nanostructures à haute résolution temporelle et spatiale, d'une manière qui sera inestimable pour optimiser les performances des nanostructures.

Le flux de courant à travers les semi-conducteurs, et donc leurs performances, dépend de la dynamique des porteurs de charge. Ces dynamiques peuvent être extrêmement rapides. Par exemple, leur dynamique peut être plus de 10 milliards de fois plus rapide que la gamme milliseconde d'un clin d'œil. La pompe-sonde optique (OPP) STM est la méthode essentielle actuelle de pointe pour mesurer et imager une telle dynamique dans les semi-conducteurs. Cependant, les moyens actuels de mesure et les systèmes d'imagerie sont trop compliqués pour les non-spécialistes. Des techniques spéciales sont nécessaires pour l'acquisition et l'interprétation des données. Par conséquent, la facilité d'utilisation et la facilité d'utilisation sont ce que les chercheurs ont cherché à aborder dans cette étude.

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"OPP STM est une méthode essentielle pour mesurer la dynamique des porteurs de charge photo-induits dans les nanostructures, mais nécessite des avancées techniques pour répondre aux besoins d'observation ultrarapide", explique le professeur Hidemi Shigekawa, auteur principal. "Nos mises à jour d'OPP STM ont permis d'étudier la dynamique des porteurs ultrarapides dans un matériau semi-conducteur commun."

Les chercheurs rapportent des techniques particulièrement remarquables qui ont permis d'optimiser les performances du système développé. Ils ont introduit un mécanisme pour contrôler électriquement l'oscillation laser ainsi que le temps de retard entre les lumières de la pompe et de la sonde, et ont construit un système optique stable. Ils ont utilisé ce système convivial pour mesurer la dynamique des porteurs de charge ultrarapides sur des surfaces d'arséniure de gallium. Ils ont également réussi à appliquer leur technique pour corréler des défauts tels que des bords de marches et des terrasses à la dynamique des porteurs de charge. Cette corrélation a été rendue possible en partie par la grande stabilité de l'imagerie, c'est-à-dire qu'elle a été réalisée sur une position de spot lumineux stabilisée pendant 16 heures.

"Notre travail sera inestimable dans des domaines tels que les technologies de communication optique ultrarapides et la photocatalyse", déclarent les chercheurs. "Lier la nanostructure sous-jacente des matériaux aux propriétés photoélectriques correspondantes par cette méthode conviviale fournira les connaissances fondamentales nécessaires pour améliorer la fonctionnalité des dispositifs à semi-conducteurs."

Ce travail a réussi à étendre l'utilité de l'OPP STM pour étudier les relations nanostructure-fonction des matériaux semi-conducteurs tels que l'arséniure de gallium et les matériaux de faible dimension. La conception expérimentale simple des chercheurs aidera les chercheurs de divers domaines à améliorer les performances photoélectriques, par exemple, des circuits intégrés et des diodes électroluminescentes pour les technologies de communication optique ultrarapides. Les performances de l'OPP STM résolu en temps peuvent être encore améliorées en optimisant la longueur d'onde et la largeur temporelle du laser pulsé ; des développements substantiels sont attendus.

Référence : Iwaya K, Yokota M, Hanada H, et al. Microscopie à effet tunnel à balayage pompe-sonde optique à déclenchement externe avec une résolution temporelle de la dizaine de picosecondes. Sci Rep. 2023;13(1):818. doi : 10.1038/s41598-023-27383-z

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