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研究人员提出无接触纳米显微概念 有助于研究材料电导率

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58京牌 ,由德国、美国和英国物理学家组成的研究团队,尝试以纳米级空间分辨率来观察电子从一个原子层移动至邻近原子层的方式。在研究导电、非导电和超导材料方面,全新无接触纳米显微概念具有很大的应用潜力。

(图片来源:phys.org)

现在,在计算机、智能手机和汽车的电子产品中,纳米技术已是不可或缺的一部分。晶体管和二极管已经发展至纳米级尺寸,相当于百万分之一毫米。传统光学显微镜不足以检测这些纳米结构。在这种情况下,科学们用更复杂的电子或扫描隧道显微镜来代替光学显微镜。然而,这些技术使用电子来代替光,会影响纳米级设备的性能。而且,这些测量技术只能用于导电性样品。

雷根斯堡大学雷根斯堡超快纳米显微技术中心(RUN)的Rupert Huber和Jaroslav Fabian等物理学家,以及美国密歇根州立大学的Tyler Cocker和英国曼彻斯特大学的Jessica Boland,推出一种新技术,无需电接触,即可对电子运动进行纳米级分析。而且,这种新方法可以达到千万亿分之一秒的飞秒时间分辨率。将超高的空间和时间分辨率结合在一起,有可能在纳米尺度上记录超快电子动力学慢动作影像。

这种技术中蕴含的概念,类似于非接触式支付技术。这种支付技术基于已建立频率和宏观尺度协议,如近场通讯(NFC)。科学家们从纳米尺度探讨相关想法,使用锋利的金属尖端作为纳米天线,以接近研究样本。相比之下,现有技术是由尖端带动电流通过样品,新概念是通过微弱的交变电场对样品进行无接触式扫描。实验中使用的频率被提升至太赫光谱范围,比NFC扫描仪中的频率大约高出10万倍。

通过这些弱电场的微小变化,得出关于材料内局部电子运动的精确结论。将测量结果与实际量子理论相结合,可以看出这一概念甚至支持定量结果。为了实现高时间分辨率,物理学家使用极短的光脉冲,记录电子在纳米距离内运动的清晰快照。

研究团队选择一种名为过渡金属双硫分子配合物(transition metal dichalcogenides)的新材料,作为首个测试样本,这种材料可以在原子层生产。当这些板材以自由选择的角度堆叠在一起时,就会出现具有新材料特性的人造固体。在雷根斯堡的1277合作研究中心(Collaborative Research Center 1277),研究人员对这种固体进行了深入研究。所研究的样品来自两种不同的原子厚度双硫分子配合物制成,以测试未来太阳能电芯的核心部分。照射在结构上的绿光会导致电荷载体出现,并根据极性朝一个或另一个方向移动(太阳能电池的基本原理),将光转换为电。科学家们以纳米级精度在空间和时间上观察到了超快电荷分离。

令人吃惊的是,当双硫分子配合物层覆盖在微小的杂质上时,甚至也能有效进行电荷分离。这些重要见解有助于优化新材料,以用于未来太阳能电池或电脑芯片。研究人员表示:“我们迫不及待地想记录绝缘、导电和超导材料中的电荷转移过程。”

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