کشف عیوب اتمی نیمه‌هادی‌ها با لیزرهای فوق سریع
فیزیکدانان دانشگاه ایالتی میشیگان (MSU) روشی جدید برای تحلیل نیمه‌رساناها در سطح اتمی توسعه داده‌اند. این روش ترکیبی از میکروسکوپی با وضوح بالا و لیزرهای فوق سریع برای شناسایی عیوب نیمه‌رساناها مانند هرگز قبلاً استفاده نمی‌شود.
به رهبری تایلر کاکر، رئیس انجمن جری کاون در فیزیک تجربی در MSU، این تحقیق به منظور غلبه بر چالشی قدیمی انجام می‌شود. نیاز به ابزارهایی که قادر به بررسی مواد تشکیل‌دهنده دستگاه‌ها باشند بسیار حیاتی شده است زیرا دستگاه‌ها روز به روز کوچکتر و قدرتمندتر می‌شوند.
کاکر توضیح داد: "این موضوع به ویژه برای اجزایی با ساختارهای نانومتری مرتبط است." اهمیت این تکنیک به توسعه‌های پیشرفته در تکنولوژی نیمه‌رساناها، از جمله چیپ‌های کامپیوتر با ویژگی‌های نانومتری و مواد مهندسی‌شده برای تنها یک اتم ضخامت یافتن، گسترش می‌یابد.
شکار ' چاله‌های' اتمی
روش جدید اتم‌های سیلیکون را که به طور عمدی به آرسنید گالیوم اضافه شده‌اند شناسایی می‌کند که در سیستم‌های رادار، سلول‌های خورشیدی با بهره‌وری بالا و دستگاه‌های مخابراتی مدرن بسیار مهم است. این 'عیوب' سیلیکونی نقش مهمی در تنظیم حرکت الکترون‌ها در نیمه‌رساناها ایفا می‌کنند.
اگرچه فیزیکدانان نظری به مدت ده‌ها سال این نوع عیب را مورد مطالعه قرار داده‌اند، اما شناسایی تجربی اتم‌های منفرد تا کنون مقدور نبوده است. کاکر توضیح داد: "اتم سیلیکون اساساً شبیه یک چاله عمیق به الکترون‌ها می‌ماند."
تیم MSU از میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی (STM) در ترکیب با پالس‌های لیزری در فرکانس‌های تراهرتز استفاده کرد. این پالس‌ها یک تریلیون بار در ثانیه بالا و پایین 'جنبش' کرده و یک پروب حساس به عیوب ایجاد می‌کند.
وقتی نوک STM با یک عیب سیلیکونی روی سطح آرسنید گالیوم برخورد می‌کند، یک سیگنال قوی و مشخص در داده‌های اندازه‌گیری ایجاد می‌شود. حرکت نوک تنها یک اتم دورتر باعث از بین رفتن سیگنال می‌شود.
کاکر گفت: "اینجا بود که این عیب پس از جستجوی بیش از چهل سال، مثل زنگ دیده شد."
پیامدها برای آینده
درک و کنترل عیوب در مقیاس اتمی برای عملکرد و پایداری به عنوان دستگاه‌های نیمه‌رساناها افزایش می‌یابد.
تیم کاکر در حال حاضر روش خود را برای بررسی مواد تک‌اتمی مانند نوارهای نانویی گرافن استفاده می‌کند. "ما تعداد زیادی پروژه باز داریم که از این تکنیک در ترکیب با مواد جدید و بیشتر استفاده می‌کنیم،" او گفت. "ما اساساً آن را در همه کارهای خود قرار داده و به عنوان یک تکنیک استاندارد استفاده می‌کنیم."
این روش نسبتاً ساده و چندمنظوره است و به ابزاری جذاب برای محققان در سراسر جهان تبدیل می‌شود. علاوه بر این، گروه‌های دیگری که STMs و نور تراهرتز را به روش‌های مختلفی ترکیب می‌کنند، پتانسیل برای کشفیات بیشتر در زمینه‌های مختلف را افزایش می‌دهند.
ودران جلیک، نویسنده اول مطالعه، یادآور شد: "وقتی چیزی را کشف می‌کنید که دهه‌ها تحقیق نظری دقیق وجود دارد، واقعاً مفید است."
این تحقیق توسط دفتر تحقیقات نیروی دریایی، دفتر تحقیقات ارتش و دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی حمایت شده است. همان‌طور که صنعت الکترونیک به سمت دستگاه‌های کوچکتر و کاراتر پیش می‌رود، تکنیک‌های مانند این نقش حیاتی در شکل دادن به آینده تکنولوژی نیمه‌رساناها خواهند داشت.
یافته‌های تیم در مجله Nature Photonics منتشر شده است.
