새로운 나노스케일 울트라

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반도체는 현대 에너지, 통신 및 기타 수많은 기술의 기본 구성 요소입니다. 장치 성능을 최적화하기 위해 반도체의 기본 나노구조를 조정하는 연구는 수십 년 동안 진행되어 왔습니다. 최근 Scientific Reports에 발표된 연구에서 쓰쿠바 대학의 연구원과 협력 파트너인 UNIISOKU Co., LTD.는 측정을 위한 사용하기 쉽고 시간 분해능이 뛰어난 주사 터널링 현미경(STM) 기술 개발을 촉진했습니다. 나노구조 성능을 최적화하는 데 매우 중요한 방식으로 높은 시간적 및 공간적 해상도에서 나노구조 내 전자의 이동.

반도체를 통한 전류 흐름과 그에 따른 성능은 전하 캐리어의 역학에 따라 달라집니다. 이러한 역학은 매우 빠를 수 있습니다. 예를 들어, 그 역학은 눈 깜박임의 밀리초 범위보다 100억 배 이상 빠를 수 있습니다. 광학 펌프-프로브(OPP) STM은 반도체의 이러한 역학을 측정하고 이미징하는 데 필요한 최신 기술의 필수 방법입니다. 그러나 현재의 측정 수단과 이미징 시스템은 비전문가가 사용하기에는 너무 복잡합니다. 데이터 수집 및 해석에는 특별한 기술이 필요합니다. 따라서 조작의 용이성과 사용의 용이성은 연구자들이 이 연구에서 다루려고 노력한 것입니다.

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"OPP STM은 나노구조에서 광 유도 전하 캐리어 역학을 측정하는 데 필수적인 방법이지만 초고속 관찰 요구를 충족하려면 기술 발전이 필요합니다"라고 수석 저자인 Hidemi Shigekawa 교수는 설명합니다. "OPP STM 업데이트를 통해 일반적인 반도체 재료의 초고속 캐리어 역학에 대한 연구가 가능해졌습니다."

연구원들은 개발된 시스템의 성능을 최적화하는 데 도움이 된 특히 주목할만한 기술을 보고했습니다. 그들은 레이저 발진과 펌프광과 탐침광 사이의 지연 시간을 전기적으로 제어하는 ​​메커니즘을 도입하고 안정적인 광학 시스템을 구축했습니다. 그들은 이 사용자 친화적인 시스템을 사용하여 갈륨 비소 표면의 초고속 전하 캐리어 역학을 측정했습니다. 그들은 또한 계단 가장자리 및 테라스와 같은 결함을 전하 캐리어 역학과 연관시키는 기술을 적용하는 데 성공했습니다. 이러한 상관관계는 이미징의 높은 안정성으로 인해 부분적으로 가능해졌습니다. 이는 16시간 동안 안정된 광점 위치에서 수행되었음을 의미합니다.

연구진은 “우리의 연구는 초고속 광통신 기술과 광촉매 같은 분야에서 매우 귀중할 것”이라고 말했다. "이 사용자 친화적인 방법을 통해 재료의 기본 나노 구조를 해당 광전 특성과 연관시키는 것은 반도체 장치 기능을 향상시키는 데 필요한 기본 지식을 제공할 것입니다."

이 연구는 갈륨비소 및 저차원 물질과 같은 반도체 물질의 나노구조-기능 관계를 연구하기 위해 OPP STM의 유용성을 확장하는 데 성공했습니다. 연구원들의 간단한 실험 설계는 다양한 분야의 연구원들이 초고속 광통신 기술을 위한 집적 회로 및 발광 다이오드 등의 광전 성능을 향상시키는 데 도움이 될 것입니다. 시간 분해 OPP STM의 성능은 펄스 레이저의 파장과 시간 폭을 최적화하여 더욱 향상될 수 있습니다. 상당한 발전이 예상됩니다.

참고 자료: Iwaya K, Yokota M, Hanada H, 외. 수십 피코초의 시간 분해능을 갖춘 외부 트리거형 광학 펌프-프로브 스캐닝 터널링 현미경입니다. Sci Rep. 2023;13(1):818. 도이: 10.1038/s41598-023-27383-z