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使用紫外线激光的研究人员对纳米材料进行了前所未有的测量

信息来源:星火计划 发布时间:【2020-08-17 】 点击次数:
科罗拉多大学博尔德分校的研究人员已经使用超快的极紫外激光来测量材料的特性,其厚度比人类红细胞薄100倍以上。
该图显示了如何将材料缩小到几纳米的厚度会破坏其原子键。图片来源:Kapteyn / Murnane Group / JILA
由JILA科学家领导的研究小组本周在《物理评论材料》(Physical Review Materials)杂志上报道了其薄晶圆新的壮举。研究合著者约书亚·诺布洛奇(Joshua Knobloch)说,该小组的目标只有5纳米厚,是研究人员能够全面探测的最薄材料。
 
CU Boulder与美国国家标准与技术研究院(NIST)合作的JILA研究生Knobloch说:“这是一项创纪录的研究,旨在了解我们能走多小以及能达到多精确”。
 
他补充说,当事情变小时,工程的正常规则并不总是适用。例如,该小组发现,某些材料越薄越柔软。
 
研究人员希望他们的发现有一天可以帮助科学家更好地导航经常无法预测的纳米世界,设计出更小巧,更高效的计算机电路,半导体和其他技术。
 
新论文的主要作者,JILA的前研究生特拉维斯·弗雷泽(Travis Frazer)说:“如果您在进行纳米工程,就不能像对待普通的大材料一样对待您的材料。” “由于它很小的简单事实,它的行为就像另一种材料。”
 
这项新研究的合著者,物理学教授玛格丽特·穆纳内(Margaret Murnane)表示:“这一令人惊讶的发现-非常薄的材料的脆弱性可能比预期的高十倍-再次证明了新工具如何帮助我们更好地理解纳米世界。在CU Boulder和JILA研究员。
 
纳米摆动
 
这项研究是在许多技术公司试图做到这一点的时候进行的:变小。一些公司正在尝试构建高效率的计算机芯片的方法,这些芯片可以将一层材料薄膜叠放在另一层材料上,就像一种速食糕点,但可以放在笔记本电脑内部。
 
弗雷泽说,这种方法的问题在于科学家很难预测这些火炬层的行为。它们太微妙了,无法使用常规工具以任何有意义的方式进行测量。
 
为了实现该目标,他和他的同事们部署了极紫外激光,即发出比传统激光更短波长的辐射束,这些波长与纳米世界非常匹配。研究人员开发了一种装置,使他们能够将光束从几层DNA厚的DNA层中反弹出来,追踪这些薄膜振动的不同方式。
 
 
 
弗雷泽说:“如果可以测量材料的摆动速度,那么就可以算出其刚度。”
 
原子破坏
 
该方法还揭示出,当您将它们制成非常非常小时,它们的属性可以改变多少。
 
例如,在最近的研究中,研究人员探究了两片由碳化硅制成的薄膜的相对强度:一层约为46纳米,而另一层仅为5纳米。该小组的紫外线激光取得了令人惊讶的结果。较薄的薄膜比较厚的薄膜柔软或刚性低约10倍,这是研究人员所没想到的。
 
弗雷泽(Frazer)解释说,如果使薄膜太薄,则可以切成将材料粘结在一起的原子键-有点像解开磨损的绳索。
 
弗雷泽说:“在薄膜顶部的原子下方有其他原子,它们可以保留。” “但是在它们之上,原子没有任何可以抓住的东西。”
 
他补充说,但并非所有材料的行为都相同。研究小组还在第二种材料上进行了相同的实验,该材料与第一种材料几乎相同,但有很大的不同-这种材料中添加了更多的氢原子。这种“掺杂”过程会自然破坏材料中的原子键,使它失去力量。
 
当小组使用激光测试第二种更轻薄的材料时,他们发现了一些新东西:这种材料在44纳米厚时与在11纳米厚时一样坚固。
 
换句话说,额外的氢原子已经使材料变弱了—一点额外的收缩就不再造成损害。
 
最后,研究小组说,其新的紫外线激光工具为科学家提供了一个通往以前科学无法掌握的领域的窗口。
 
Knobloch说:“现在人们正在建造非常非常小的设备,他们在询问厚度或形状等属性如何改变其材料的行为方式。” “这为我们提供了一种获取有关纳米技术信息的新方式。”
 
这项研究得到了STROBE国家科学基金会实时功能成像科学技术中心的支持。
 

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