单个原子展现真实色彩

文章要点

• 密歇根州立大学的研究人员开发出一种新技术，该技术将原子尺度成像与极短激光脉冲相结合，可清晰地探测到单原子 “缺陷”。
• 这项技术可以帮助研究人员更好地表征和设计现代电子设备（如计算机芯片、通信设备和太阳能电池）以及未来设备中使用的半导体材料。
• MSU 团队在《自然-光子学》（Nature Photonics）杂志上展示了他们的技术，揭示了砷化镓中的硅缺陷，而这些缺陷在以前几乎是不可见的。”团队负责人、密歇根州立大学杰里-考恩实验物理学讲座教授泰勒-科克说：”这是人们四十多年来一直在寻找的缺陷，我们可以看到它像钟一样敲响。

要把更智能、更强大的电子器件塞进日益缩小的设备中，所面临的挑战之一就是开发工具和技术，对组成这些器件的材料进行日益精确的分析。

密歇根州立大学的物理学家在这方面迈出了期待已久的一步，他们采用了一种将高分辨率显微镜与超快激光相结合的方法。

《自然-光子学》（Nature Photonics）杂志介绍了这一技术，它使研究人员能够以无与伦比的精度发现半导体中的错配原子。半导体物理学将这些原子称为 “缺陷”，这听起来有些负面，但它们通常是有意添加到材料中的，对当今和未来设备中半导体的性能至关重要。

密歇根州立大学杰里-考恩实验物理学捐赠讲座教授泰勒-科克（Tyler Cocker）（左）与博士生斯蒂芬妮-亚当斯（Stefanie Adams）和穆罕默德-哈桑（Mohamed Hassan）在超快太赫兹纳米镜实验室。图片来源：Matt Davenport/密歇根州立大学自然科学学院

新研究的负责人、杰里-考文实验物理学讲座教授泰勒-科克（Tyler Cocker）说：”这对于具有纳米级结构的组件尤其重要。”

这包括像计算机芯片这样的元件，它们通常使用具有纳米级特征的半导体。研究人员正在努力将纳米级结构发挥到极致，他们正在设计厚度仅为一个原子的材料。

科克说：”这些纳米材料是半导体的未来。”当你拥有纳米级电子器件时，确保电子能以你想要的方式运动真的很重要”。

缺陷在电子运动中扮演着重要角色，这就是为什么像科克这样的科学家热衷于准确了解缺陷的位置及其行为方式。当科克的同行们得知他的团队的新技术可以让他们轻松获得这些信息时，都感到非常兴奋。

科克说：”我的一位同事说，’我希望你们出去庆祝一下’。

维德兰-耶利奇（Vedran Jelic）是科克研究小组的博士后研究员，现在加拿大国家研究理事会工作，他是该项目的带头人，也是新报告的第一作者。研究小组成员还包括博士生 Stefanie Adams、Eve Ammerman 和 Mohamed Hassan，以及本科生研究员 Kaedon Cleland-Host。

科克补充说，只要有合适的设备，这种技术就能直接实现，他的团队已经将其应用于石墨烯纳米带等原子级薄材料。

科克说：”我们有许多开放项目，正在将这项技术用于更多材料和更奇特的材料。”我们基本上把它融入到我们所做的一切工作中，并把它作为一项标准技术来使用”。

图中显示了太赫兹激光（红色波浪形箭头）与扫描隧道显微镜（STM）尖端的结合–深色的金字塔形状与蓝色表面的样品交换红色电子。图片来源：Eve Ammerman

轻轻一触

目前已经有一些工具，特别是扫描隧道显微镜（STM），可以帮助科学家发现单原子缺陷。

与许多人在高中科学课上认识的显微镜不同，STM 不使用透镜和灯泡来放大物体。相反，STM 使用原子般锋利的尖端扫描样品表面，就像唱片播放器上的触针一样。

博士生穆罕默德-哈桑（右）和斯蒂芬妮-亚当斯（左）检查光学台，以调整 MSU 团队新技术中使用的激光。图片来源：Matt Davenport/密歇根州立大学自然科学学院

但 STM 的针尖并不接触样品表面，它只是足够靠近，以便电子在针尖和样品之间跃迁或隧穿。

STM 记录电子跃迁的数量、跃迁的位置以及其他信息，从而提供原子尺度的样品信息（因此，科克的实验室将其称为纳米镜，而不是显微镜）。

但是，仅凭 STM 数据并不总能清楚地分辨出样品中的缺陷，尤其是砷化镓，这是一种重要的半导体材料，广泛应用于雷达系统、高效太阳能电池和现代电信设备中。

在最新发表的论文中，Cocker 和他的团队重点研究了有意注入硅缺陷原子的砷化镓样品，以调整电子在半导体中的移动方式。

“硅原子对电子来说就像一个深坑，”科克说。

尽管理论家们对这种缺陷的研究已有数十年之久，但实验家们直到现在才能够直接探测到这些单原子。

Cocker 和他的团队的新技术仍然使用 STM，但研究人员还将激光脉冲直接照射到 STM 的尖端。

这些脉冲由太赫兹频率的光波组成，这意味着它们每秒上下抖动一万亿次。最近，理论家们证明，这与硅原子缺陷在砷化镓样品中来回抖动的频率相同。

通过将 STM 和太赫兹光耦合在一起，MSU 团队创造出了一种探针，它对缺陷具有无与伦比的灵敏度。

当 STM 针尖接触到砷化镓表面的硅缺陷时，研究小组的测量数据中突然出现了一个强烈的信号。当研究人员将针尖从缺陷处移开一个原子时，信号消失了。

“科克说：”这就是人们四十多年来一直在寻找的缺陷，我们可以看到它像钟一样敲响。

“他接着说：”起初，这很难让人相信，因为它太明显了。”我们不得不对它进行全方位的测量，以确定它是真实存在的。

然而，一旦他们确信信号是真实的，就很容易解释了，这要归功于多年来对这一主题的理论研究。

耶利奇说：”当你发现这样的东西时，如果已经有数十年的理论研究对其进行了彻底的描述，那就真的很有帮助了。”耶利奇和科克同时也是这篇新论文的通讯作者。

尽管科克的实验室处于这一领域的最前沿，但目前世界各地都有研究小组将 STM 与太赫兹光结合起来。除检测缺陷外，还有许多其他材料也可以从这项技术的应用中获益。

现在，他的团队已经与社区分享了自己的方法，Cocker 很高兴看到还有其他发现在等待着他。

该项目得到了海军研究办公室、陆军研究办公室和空军科学研究办公室的支持。

Atomic-scale terahertz time-domain spectroscopy

https://doi.org/10.1038/s41566-024-01467-2