Инновационный метод анализа наноструктур

Ученые из Института физики полупроводников имени А.В. Ржанова СО РАН разработали новый сверхточный спектральный оптический неразрушающий метод анализа материалов. Он существенно расширяет возможности существующих атомно-силовых микроскопов, позволяя изучать материалы на масштабе единиц нанометров и исследовать не только их структурные размеры, но и химическое строение.

— Один из методов изучения наноструктур — спектроскопия комбинационного рассеяния света. Она заключается в анализе спектра лазерного излучения, отраженного от исследуемой структуры. Это излучение, как отпечатки пальцев, содержит всю информацию — от состава вещества и примесей до различных дефектов, деформаций и напряжений, — рассказал «Известиям» один из разработчиков, заместитель директора по научной работе ИФП СО РАН Александр Милехин. Однако, пояснил он, существуют фундаментальные ограничения для оптических методов наблюдения. Например, так называемый дифракционный барьер, который не дает различить два объекта, если расстояние между ними меньше половины длины волны света. Для видимого диапазона этот предел составляет около 200–300 нм. Вторая проблема заключается в уменьшении силы рассеянного сигнала на нанометровом уровне. Однако благодаря совместному использованию спектроскопии и атомно-силовой микроскопии исследователи смогли преодолеть эти ограничения.

— Чтобы определять еще и спектральные характеристики материала (например, химический состав в каждой точке), мы наносим на зонд серебро, золото или платину таким образом, чтобы на его острие сформировался один кластер металла размером около 100 нм. Под ним в малой области формируется сильное электрическое поле. С другой стороны, в качестве подложки для исследуемых структур мы использовали массивы золотых нанодисков, — описал суть разработки ученый. По его словам, при приближении металлизированного зонда к золотым нанодискам между ними образуется так называемая горячая точка — плазмон, область концентрированного электромагнитного поля большой интенсивности. Если энергия такого «щелевого» плазмона соответствует энергии возбуждения в материале, интенсивность рассеяния резко возрастает, что позволяет получать более детальную информацию. Задачей исследователей было создание необходимых условий. В результате они получили сигнал, усиленный в 100 тыс. раз, при пространственном разрешении 2 нм.

С помощью нового метода были изучены атомарно тонкие структуры полупроводниковых материалов, которые представляют интерес для современной микроэлектроники и фотоники. Например, при анализе графена ученые обнаружили растяжение его кристаллической решетки всего на 1,5%. Это мало, однако критически важно для электронных свойств материала. Такие исследования помогают лучше понять, как работают двухмерные материалы в реальных условиях и помогают улучшать их качество. В дальнейшем это поможет создать более точные и чувствительные датчики, гибкую электронику и даже элементы для будущих нанороботов.