Az elektronokat munka közben filmezni

A Optikai és Atomfizika Intézet fizikusai egy új módszert fejlesztettek ki, amely lehetővé teszi, hogy mozgó képeket készítsenek a periodikusan zajló folyamatokról a transmissziós elektronmikroszkópban (TEM). Ilyen folyamatok például a modern elektronikus alkatrészekben, úgynevezett félvezető nanostruktúrákban zajló kapcsolási események. Eddig nem volt lehetőség mélyebb „beavatkozásokra” ilyen folyamatokba.

Az újdonság az Dr. Tolga Wagner által, Prof. Dr. Michael Lehmann irányításával kifejlesztett módszerben az, hogy sikerült egy teljesen új, mára szabadalmaztatott zárrendszert vagy elzárótechnikát feltalálni [1], amely lehetővé teszi a „forgatási műveleteket” a TEM-ben, vagy másképp fogalmazva, hogy az elektronokat egy mintán belül „munkavégzés közben filmezzük”. Ez az alapvető fizikai folyamatok, például a töltéshordozó dinamikák megértését segíti elő a félvezető nanostruktúrákban.

„Az elektronmikroszkópiában mindig arra törekszünk, hogy a mérési körülményeket a lehető legstabilabbá tegyük,” mondja Dr. Tolga Wagner. A nagy felbontású transmissziós elektronmikroszkópok nagyon érzékenyek külső zavarokra, mint például rezgések, hőmérsékleti instabilitások vagy elektromágneses térváltozások. Ez különösen igaz az elektronholográfiára. Ez csak akkor ad információt, például a mintán belüli potenciáleloszlásról, ha interferencia, azaz két koherens elektronhullám átfedése történik, így létrejön egy interferencia minta, az elektronhologram. Ehhez az elektronhullámok „stabilitására” van szükség.

Azonban ahelyett, hogy a mérési körülményeket a lehető legstabilabbá tennénk, Dr. Tolga Wagner és kollégái tudatosan zavarják a mérést, és csak rövid ideig engedik meg az interferenciát. Az így keletkezett információ kizárólag az az időszakból származik, amikor az interferencia megtörtént. Egyrészt ez az időszak (majdnem) tetszőleges kicsi lehet – időfelbontások a pikosekundumos tartományban (egy millióad része egy szempillantásnak) könnyen elérhetők viszonylag kevés erőfeszítéssel. Másrészt a zavarás elnyomásának költsége alacsony a felépítés érzékenysége miatt külső zavarokra. „Az új módszerünk alapötlete az, hogy az interferenciát gyorsan ki- és bekapcsoljuk szándékosan zavarásokkal. Ez a zárrendszerünk, amit ezért „interferencia-gating”-nek, azaz interferencia-gátlónak neveztünk el,” magyarázza Dr. Tolga Wagner. A „nyílás” helyzete és szélessége határozza meg, mikor és mennyi ideig rögzül az információ. Ezzel a módszerrel a berlini TU fizikusai sikerült a transmissziós elektronmikroszkóp időfelbontását a másodperces tartományról 25 nanosekundumra növelniük [2]. Ezeken az időskálákon belül zajlanak például az elektronikus folyamatok a félvezetőkben. „Az általunk kifejlesztett időfelbontású elektronholográfia segítségével most már lehet filmezni a potenciálváltozásokat az elektronok mozgása miatt, amelyek néhány nanométeres (egy millióad milliméteres) méretűek,” mondja Dr. Tolga Wagner.

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

További információkat szívesen ad:

Dr. Tolga Wagner
TU Berlin
Kísérleti Fizika Tanszék / Elektron- és Ionnanooptika
Telefon: 030 314-24428
E-mail: tolga.wagner@tu-berlin.de