Natáčet elektrony při práci

Fyzikové z Ústavu optiky a atomové fyziky vyvinuli nový postup, který umožňuje pořizovat pohyblivé obrázky periodicky probíhajících procesů v transmisním elektronovém mikroskopu (TEM). Takové procesy jsou například přepínací děje v moderních elektronických součástkách, takzvaných polovodičových nanostrukturách. Dosud nebylo možné získat hlubší „pohledy“ na tyto procesy.

Novinkou u postupu vyvinutého Dr. Tolgou Wagnerem pod vedením Prof. Dr. Michaela Lehmannna je skutečnost, že se vědcům podařilo vynalézt zcela nový, dnes již patentovaný systém clony nebo uzávěru [1], který umožňuje „natáčení“ v TEM, jinými slovy, „natáčení elektronů uvnitř vzorku při práci“. To přispívá k odhalování základních fyzikálních procesů, například dynamiky nosičů náboje v polovodičových nanostrukturách.

„V elektronové mikroskopii se vždy snažíme udržet měřicí podmínky co nejstabilnější,“ říká Dr. Tolga Wagner. Vysoce rozlišovací transmisní elektronové mikroskopy jsou velmi citlivé na vnější rušení, jako jsou vibrace, tepelné nestability nebo změny elektromagnetických polí. To platí obzvlášť pro elektronovou holografii. Ta poskytuje informace například o rozložení potenciálu uvnitř vzorku pouze tehdy, pokud dojde k interferenci, tedy překrývání dvou koherentních elektronových vln, což umožňuje zaznamenat interferenční vzor, tedy elektronový hologram. K tomu je nutná „stabilita“ elektronových vln vůči sobě navzájem.

Namísto však udržování měřicích podmínek co nejstabilnějších, narušují Dr. Tolga Wagner a jeho kolegové měření vědomě a umožňují interferenci pouze na krátkou dobu. Informace získaná tímto způsobem pochází výhradně z období, kdy došlo k interferenci. Tento časový úsek lze zvolit téměř libovolně malý – časové rozlišení v pikosekundách (milióntina sekundy) je dosažitelné s přiměřeným úsilím. Navíc je náročnost potlačení interference díky vysoké citlivosti zařízení na vnější rušení nízká. „Základní myšlenkou našeho nového postupu je, že interferenci velmi rychle zapínáme a vypínáme cíleným rušením. To je princip naší technologie uzávěru, kterou jsme pojmenovali ‚interference gating‘, tedy ‚interferenční brána‘,“ vysvětluje Dr. Tolga Wagner. Pomocí polohy a šířky této ‚brány‘ je určeno, kdy a jak dlouho bude informace zaznamenána. S tímto postupem se podařilo fyzikům z TU zvýšit časové rozlišení transmisního elektronového mikroskopu, který je umístěn na kampusu TU v Berlíně-Charlottenburgu a byl speciálně optimalizován pro výzkum elektronové holografie, z několika sekund na 25 nanosekund [2]. Na těchto časových škálách probíhají například elektronické procesy v polovodičích. „S naší vyvinutou časově rozlišující elektronovou holografií je nyní možné natáčet změny potenciálu způsobené pohybem elektronů při jejich průchodu polovodičem, které jsou jen několik nanometrů (milióntina milimetru) velké,“ říká Dr. Tolga Wagner.

[1] Michael Lehmann, Tore Niermann a Tolga Wagner. „METHOD AND APPARATUS FOR CARRYING OUT A TIME-RESOLVED INTERFEROMETRIC MEASUREMENT.“, Číslo publikace: EP3376522A1; TW201833521A; US2020103213A1; WO2018166786A1 (2018).
https://patentimages.storage.googleapis.com/3f/99/6a/e600762da71959/US20200103213A1.pdf
[2] Tolga Wagner, Tore Niermann, Felix Urban a Michael Lehmann. „Nanosecond electron holography by interference gating.“ Ultramicroscopy 206 (2019): 112824.
https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2019.112824

Další informace vám rád poskytne:

Dr. Tolga Wagner
TU Berlin
Fachgebiet Experimentalphysik / Elektronen- und Ionen-Nanooptik
Tel.: 030 314-24428
E-mail: tolga.wagner@tu-berlin.de