Nagrywanie elektronów przy pracy

Fizycy z Instytutu Optiki i Fiziki Atomowej opracowali nową metodę, która umożliwia nagrywanie ruchomych obrazów procesów okresowych w mikroskopie transmisyjnym elektronowym (TEM). Takie procesy to na przykład przełączanie w nowoczesnych elementach elektronicznych, tak zwanych nanostrukturach półprzewodnikowych. Dotychczas nie było możliwe uzyskanie głębszych „wglądów” w tego typu procesy.

Nowością w metodzie opracowanej przez dr. Tolgę Wagnera pod kierownictwem prof. dr. Michaela Lehmann jest to, że udało się naukowcom wymyślić zupełnie nową, obecnie opatentowaną technikę przesłony lub zamknięcia [1], umożliwiającą „kręcenie filmów” w TEM, innymi słowy, filmowanie elektronów wewnątrz próbki „w trakcie pracy”. Przyczynia się to do rozwiązywania podstawowych procesów fizycznych, takich jak dynamika nośników ładunku w nanostrukturach półprzewodnikowych.

„W mikroskopii elektronowej zawsze dąży się do jak najstabilniejszego warunkowania pomiarów” — mówi dr. Tolga Wagner. Wysokorozdzielcze mikroskopy transmisyjne są bardzo podatne na zewnętrzne zakłócenia, takie jak drgania, termiczne niestabilności czy fluktuacje pola elektromagnetycznego. Dotyczy to szczególnie holografii elektronowej. Dostarcza ona informacji, na przykład o rozkładzie potencjału wewnątrz próbki, tylko wtedy, gdy dochodzi do interferencji, czyli nałożenia się dwóch koherentnych fal elektronowych, co pozwala na zarejestrowanie wzoru interferencyjnego, czyli hologramu elektronowego. Warunkiem jest tutaj „stabilność” fal elektronowych względem siebie.

Jednak zamiast utrzymywać warunki pomiaru tak stabilne, jak to możliwe, dr. Tolga Wagner i jego koledzy celowo zakłócają pomiar i pozwalają na interferencję tylko przez krótki czas. Informacja uzyskana w ten sposób pochodzi wyłącznie z okresu, w którym dochodziło do interferencji. Z jednej strony, ten czas (prawie) można wybrać dowolnie mały — rozdzielczość czasowa w zakresie pikosekund (milionowa część miliardowej sekundy) jest możliwa do osiągnięcia przy umiarkowanych nakładach. Z drugiej strony, wysiłek związany z tłumieniem interferencji jest niewielki ze względu na wysoką czułość układu na zakłócenia zewnętrzne. „Podstawową ideą naszego nowego rozwiązania jest szybkie włączanie i wyłączanie interferencji poprzez celowe zakłócenia. To jest zasada naszej techniki przesłony, którą nazwaliśmy ‚interference gating’, czyli bramką interferencyjną” — wyjaśnia dr. Tolga Wagner. Dzięki położeniu i szerokości „bramki” decyduje się, kiedy i jak długo będzie rejestrowana informacja. Udało się nam zwiększyć rozdzielczość czasową mikroskopu transmisyjnego elektronowego, który znajduje się na kampusie TU w Berlinie-Charlottenburgu i został specjalnie zoptymalizowany do badań holografii elektronowej, z sekund do 25 nanosekund [2]. Na tych skalach czasowych zachodzą między innymi procesy elektroniczne w półprzewodnikach. „Dzięki naszej opracowanej metodzie czasowo rozdzielczej holografii elektronowej możliwe jest teraz filmowanie zmian potencjału wywołanych ruchem elektronów podczas ich przemieszczania się przez półprzewodniki, które mają zaledwie kilka nanometrów (milionowa część milimetra)” — mówi dr. Tolga Wagner.

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

Więcej informacji chętnie udzieli:

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