9 دقیقه
پژوهشگران یک ترفند اپتیکی هوشمندانه یافتهاند تا ورقههای تکاتمی بورون نیترید هگزاگونال (hBN)، مادهای که در طولموجهای مرئی تقریباً شفاف است و بنابراین با میکروسکوپهای معمولی بهسختی دیده میشود، را قابلمشاهده سازند. با بهرهگیری از روشی غیرخطی در تصویربرداری که ارتعاشات شبکهای تحریکشده توسط مادونقرمز را به نور مرئی تبدیل میکند، محققان اکنون قادرند تکلایههای hBN را سریع، با کنتراست بالا تصویرگذاری، جهتدهی و نگاشت کنند؛ کاری که برای کنترل کیفیت و ساخت دستگاههای دوبعدی اهمیت اساسی دارد.
بورون نیترید یک ساختار بلوری است که از اتمهای بورون و نیتروژن تشکیل شده و این اتمها در یک شبکهٔ ششضلعی مرتب شدهاند. این ساختار دوبعدی شباهت زیادی به گرافن دارد اما خواص الکترونیکی و نوری متفاوت و مکملی ارائه میدهد که آن را برای کاربردهای نانوفوتونیک، الکترونیک و زیرلایههای نازک بسیار ارزشمند میسازد. شناخت دقیق ساختار بلوری و جهت کریستالوگرافی در مقیاس اتمی برای بهرهبرداری از این خواص ضروری است.
نحوهای که میکروسکوپ جدید نامرئی را آشکار میکند
در مؤسسه فریتز هابر (FHI)، تیمی از پژوهشگران پرتوی میانی-مادونقرمز و پرتوی مرئی را در یک میکروسکوپ تولید فرکانس جمعی فاز-تفکیکشده (phase-resolved sum-frequency generation یا SFG) ترکیب کردند تا تکلایههای hBN را وادار به انتشار سیگنال نوری روشنی کنند. این تکنیک از یک مود ارتعاشی رزونانسی در hBN استفاده میکند: زمانی که نور میانی-مادونقرمز با فرکانس آن ارتعاش مطابقت پیدا میکند، همکنش آن با پرتوی مرئی دوم خروجیای در فرکانس جمع تولید میکند که بهمراتب قویتر از سیگنالهای پسزمینه است.
به زبان سادهتر: پرتو میانی-مادونقرمز یک ارتعاش شبکهای را در ورقهٔ تکاتمی ایجاد میکند و پرتو مرئی آن حرکت را میخواند و با تولید نوری در فرکانس جمع دو پرتو، اطلاعات را به آشکارساز منتقل میکند. از آنجا که این فرایند هم رزونانس است و هم غیرخطی، تکلایهٔ hBN — که در بازههای نوری معمولی تقریباً شفاف است — در آشکارساز SFG با کنتراست بالا «درخشان» میشود و بهراحتی از زمینه تفکیک میگردد. این ویژگی SFG را به ابزاری قوی برای تصویربرداری از مواد دوبعدی بینیاز از برچسب تبدیل میکند، بهویژه وقتی که هدف شناسایی جهت کریستالی، مرزهای دانه و نقصهای موضعی است.
تصویر میکروسکوپی SFG از قطعات تکلایه بورون نیترید. اعتبار: FHI
این دستگاه سریع و قابلاستفاده است. تیم گزارش دادهاند که میتوانند نواحی تقریباً 100 × 100 میکرومتر مربع را در کمتر از یک ثانیه تصویرگیری کنند و مهمتر اینکه اندازهگیری فاز-تفکیکشده اطلاعات جهت کریستالوگرافی را نیز رمزگذاری میکند، علاوه بر اینکه حضور و کنتراست ماده را نشان میدهد. این بدان معنی است که مرزهای دانه، پایانههای لبه و اختلالات موضعی — جزئیاتی که برای ساخت هتروساختارهای دوبعدی قابلاطمینان حیاتی هستند — قابلمشاهده بهصورت درجا هستند و میتوانند در جریان فرآیند ساخت زیرنظر قرار گیرند. چنین امکانی موجب افزایش کیفیت، تکرارپذیری و سرعت در مونتاژ لایهها میشود.
چرا بورون نیترید هگزاگونال برای مواد و دستگاههای 2D مهم است
بورون نیترید هگزاگونال که اغلب بهعنوان «گرافن سفید» خوانده میشود، مادهای لایهای است که از آرایش متناوب اتمهای بورون و نیتروژن شکل گرفته است. همانند گرافن، تکلایههای آن شبکهٔ ششضلعی دارند، اما hBN مجموعهای از خواص مکمل را ارائه میدهد: شکاف باند الکترونیکی وسیع، رزونانسهای قوی در ناحیهٔ میانی-مادونقرمز، پایداری شیمیایی بالا و سطحی اتمینظم که آن را به زیرلایهای ایدهآل یا پوششی برای سایر مواد دوبعدی بدل میکند. این ویژگیها باعث شده hBN در ساخت دستگاههای نوری-الکترونیکی، کوانتمی و سنسورهای حساس به مادونقرمز کاربردی باشد.
از آنجا که تکلایهٔ hBN در نواحی نزدیکمادونقرمز و مرئی از نظر نوری ساکت یا «optically silent» است، بازرسی و تراز کردن نوری در طول فرآیند ساخت پیشین دشوار بوده است. این شکاف در شناسایی نوری، مونتاژ زنده و کنترل کیفیت هتروساختارهای انباشتهٔ وندِر والز — بلورهای مصنوعی ساختهشده از قرار دادن لایههای مختلف 2D روی هم — را محدود میکرد. روش SFG این محدودیتها را بهطور مستقیم برطرف میکند و در طی جریانهای کاری تولیدی، دادههای جهتگیری و کنتراست را بدون نیاز به برچسب، تماس یا دستکاری شدید فراهم میآورد. این قابلیت برای تولید صنعتی و کنترل کیفیت سریع اهمیت بالایی دارد، بهویژه در تولید نسل بعدی قطعات اپتو-الکترونیک و نانوفوتونیک مادونقرمز.
شماتیک میکروسکوپ SFG توسعهیافته برای تصویربرداری از لایههای بورون نیترید.
علاوه بر تصویربرداری، پاسخ غیرخطی بزرگ مشاهدهشده نزدیک رزونانس ارتعاشی نشان میدهد که تکلایهٔ hBN میتواند برای تبدیل فرکانس (frequency upconversion) کاربرد داشته باشد؛ یعنی تبدیل سیگنالهای مادونقرمز به نور مرئی که توان بالقوهای در فوتونیک مادونقرمز و دستگاههای اپتو-الکترونیکی دارد. بهعبارت دیگر، این میکروسکوپ تنها یک ابزار متروژی نیست، بلکه پنجرهای به سوی خواص عملکردی مواد است که میتوان آنها را در مفاهیم جدید دستگاهی بهکار گرفت؛ از آشکارسازی مادونقرمزِ حساستر تا مبدلهای فرکانسی روی تراشه.
تلاش مشترک و اعتبارسنجی فنی
این کار نمایانگر یک همکاری میانبخشی و بینالمللی است. قطعات تکلایه hBN در دانشگاه واندربیلت سنتز شدند، تصویرگیری با میکروسکوپ SFG در بخش شیمی فیزیک FHI انجام شد و همکارانی در دانشگاه آزادی برلین (Freie Universität Berlin) با میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) خصوصیات ساختاری و ضخامت لایهها را بهطور مکمل مشخص کردند. سپس دپارتمان نظریهٔ FHI دادههای کریستالوگرافی را تحلیل کرد تا پایانههای لبه و جهتبندی شبکه استخراج شوند. این توزیع وظایف بین سنتز، میکروسکوپی غیرخطی و میکروسکوپی تماسی به اطمینان از صحت نتایج و تکرارپذیری آن کمک کرد.
استفاده از AFM مکمل، وجود و ضخامت تکلایهها را تأیید کرد، در حالی که تصاویر SFG کنتراست نوری و نقشههای جهتدهی بلوری برتری را در زمان واقعی فراهم ساختند. مجموعهٔ دادههای ترکیبی نشان داد که حوزههای مثلثی شکل hBN گرایش به نمایش لبههای زیگزاگ با خاتمهٔ نیتروژن دارند — یک جز structural که میتواند رفتار الکترونیکی و نوری را زمانی که این لایهها در هتروساختارها یکپارچه میشوند، تحت تأثیر قرار دهد. دانستن این جزئیات لبهای برای طراحی مدارها و تماسهای فلزی روی این لایهها حیاتی است، زیرا پایانهها میتوانند نقش تعیینکنندهای در پراکندگی حاملها، تلههای سطحی و انتقال حرارتی ایفا کنند.
چشمانداز برای تصویربرداری از کلاسهای گستردهتری از مواد 2D
چون تکنیک SFG بر تحریک رزونانسی مودهای ارتعاشی متکی است، میتوان آن را به سایر مواد اتمینازک گسترش داد که فونونهای فعال در مادونقرمز یا ارتعاشات مولکولی مشخصی دارند. نویسندگان انتظار دارند این روش به ابزاری چندمنظوره، غیرتهاجمی و بدون برچسب برای کنترل سریع کیفیت در حین ساخت و مونتاژ زندهٔ دستگاههای چندلایه تبدیل شود. چنین تطبیقپذیریای میتواند شامل مواد مانند مولاژهای آندی، برخی دیسولفیدهای فلزی انتقالی (TMDها) یا لایههای آلی با ارتعاشات فرکانسی متمایز باشد.
از منظر عملی، کاربرد این تکنیک میتواند تولید هتروساختارهای وندِر والز را برای اپتیک کوانتمی، نانوفوتونیک مادونقرمز و اجزای (اپتو)الکترونیکی نسل بعدی تسریع کند. توانایی دیدن جهت کریستال در زمان واقعی همچنین درهای تازهای برای مهندسی زاویهپیچش (twist-angle engineering) باز میکند — روشی که در آن لایهها را نسبت به هم میچرخانند تا فازهای الکترونیکی عجیب و تجلّیهای کوانتمی جدیدی پدید آید. کنترل دقیق زاویهها و مرزها در زمان مونتاژ میتواند منجر به تولید دستگاههایی با خواص الکترونیکی مهندسیشده شود که در حقیقت تنها با دیدن و اندازهگیری دقیق میتوان به آنها دست یافت.
دیدگاه کارشناسی
«دیدن تکلایهٔ hBN با کنتراست نوری واقعاً نقطهٔ عطفی در پژوهش مواد دوبعدی است»، دکتر النا مارکز، دانشمند مواد خیالی متخصص در اپتوالکترونیک، میگوید. «این روش به آزمایشگران یک راه زنده و غیرتهاجمی میدهد تا لایهها را تراز کنند و نقایص را شناسایی کنند؛ نقایصی که پیشتر نیازمند تکنیکهای کند و تماسمحور بودند. برای آزمایشگاههایی که در حال ساخت هتروساختارهای پیچیدهاند، این موضوع صرفهجویی در زمان و بهبود تکرارپذیری را بههمراه دارد.»
دکتر مارکز میافزاید: «زاویهٔ تبدیل فرکانس هم هیجانانگیز است — تبدیل IR به نور مرئی روی تراشه میتواند برای فناوریهای حسگری و ارتباطاتی که در آنها آشکارسازی IR فعلاً چالشبرانگیز یا پرهزینه است، مفید باشد.» این نظر نشان میدهد که کاربردهای عملی این روش فراتر از آزمایشگاه متروژی است و میتواند در توسعه قطعات عملی بهکار رود.
این برای دستگاهها و پژوهش آینده چه معنایی دارد
میکروسکوپ فاز-تفکیکشدهٔ تولید فرکانس جمع که بهتازگی به نمایش گذاشته شده، مسیر عملیای برای ادغام hBN و سایر لایههای شفاف دوبعدی در جریانهای کاری تولید فراهم میآورد. تصویربرداری سریعتر و با کنتراست بالاتر همراه با نگاشت جهتبندی میتواند کنترل نقصها را بهبود بخشد و امکان چیدمان دقیق لایهها را فراهم آورد — گامهای اساسی برای دستیابی به دستگاههای مقیاسپذیر مبتنی بر مهندسی وندِر والز.
با مقیاسپذیر شدن این روش و تطبیق آن با مواد گوناگون، میتوان انتظار تولید مستحکمتری از دستگاههای کوانتمی، اجزای نانوفوتونیک مادونقرمز و مواد لایهای با رفتار الکترونیکی مهندسیشده داشت. برای جامعهٔ گستردهٔ پژوهشگران مواد دوبعدی، این یک ابزار جدید و ارزشمند است که طیفشناسی، میکروسکوپی و علم مواد را در یک تکنیک عملی و قابلاستفاده تلفیق میکند. در مجموع، میکروسکوپ SFG فاز-تفکیکشده میتواند فصل تازهای در تصاویر متحرکِ کنترل کیفیت و مهندسی ساختارهای اتمینظم باز کند و زیرساخت پژوهشی و صنعتی برای کاربردهای آینده فراهم آورد.
منبع: scitechdaily
نظرات
شهررو
فکر کنم تبدیل IR به مرئی روی تراشه واقعا کاربردی باشه، مخصوصا برای سنسورهای مادونقرمز و اپتیک
لابکور
خودم تو آزمایشگاه دیدم که دیدن لبهها چقدر مهمه، این روش اگه واقعا سریع باشه زندگیو راحت میکنه
کوینکس
هزینهی این دستگاه چقدره؟ اگر گرون باشه فقط برای آزمایشگاها میمونه، نه برای تولید انبوه…
اتومیکس
واااای، اینکه تکلایه hBN با نور دیده بشه واقعاً باحاله! یعنی مونتاژ سریعتر، خطا کمتر، امیدوارم صنعتی شه
ارسال نظر