斬新なナノスケールウルトラ

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半導体は、現代のエネルギー、通信、その他の無数のテクノロジーの基礎的なコンポーネントです。 デバイスの性能を最適化するために半導体の基礎となるナノ構造を調整する研究は数十年にわたって続けられています。 さて、Scientific Reports に最近掲載された研究では、筑波大学の研究者と共同パートナーである UNISOKU Co., LTD. が、測定のための使いやすい時間分解走査トンネル顕微鏡 (STM) の技術開発を促進しました。ナノ構造の性能を最適化するために非常に貴重な方法で、高い時間的および空間的分解能でナノ構造内の電子の動きを観察します。

半導体を流れる電流、つまり半導体の性能は、電荷キャリアのダイナミクスに依存します。 これらのダイナミクスは非常に高速になる可能性があります。 たとえば、そのダイナミクスは、まばたきのミリ秒範囲よりも 100 億倍以上速い場合があります。 光ポンププローブ (OPP) STM は、半導体におけるこのようなダイナミクスを測定およびイメージングするための現在の最先端の不可欠な方法です。 しかし、現在の測定手段と画像システムは専門家以外の人にとっては複雑すぎます。 データの取得と解釈には特別な技術が必要です。 したがって、操作の容易さと使いやすさが、研究者がこの研究で取り組もうとしたものです。

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「OPP STM は、ナノ構造における光誘起電荷キャリアのダイナミクスを測定するために不可欠な方法ですが、超高速観察のニーズを満たすには技術的な進歩が必要です」と主著者の重川秀美教授は説明します。 「OPP STM のアップデートにより、一般的な半導体材料における超高速キャリアダイナミクスの研究が可能になりました。」

研究者らは、開発されたシステムのパフォーマンスの最適化に役立つ特に注目すべき技術を報告しています。 レーザー発振やポンプ光とプローブ光の遅延時間を電気的に制御する機構を導入し、安定した光学系を構築した。 彼らは、このユーザーフレンドリーなシステムを使用して、ガリウムヒ素表面上の超高速電荷キャリアダイナミクスを測定しました。 彼らはまた、ステップエッジやテラスなどの欠陥を電荷キャリアのダイナミクスに関連付けるために技術を適用することにも成功しました。 この相関関係は、イメージングの高い安定性によって部分的に可能になりました。これは、イメージングが 16 時間にわたって安定した光スポット位置で実行されたことを意味します。

「私たちの研究は、超高速光通信技術や光触媒などの分野で非常に貴重なものになるでしょう」と研究者らは言う。 「このユーザーフレンドリーな方法によって、材料の基礎となるナノ構造を対応する光電特性に関連付けることで、半導体デバイスの機能を向上させるために必要な基礎知識が得られるでしょう。」

この研究は、ガリウムヒ素や低次元材料などの半導体材料のナノ構造と機能の関係を研究するための OPP STM の用途を拡大することに成功しました。 研究者の率直な実験計画は、さまざまな分野の研究者が、たとえば超高速光通信技術用の集積回路や発光ダイオードの光電気性能を向上させるのに役立つだろう。 時間分解 OPP STM の性能は、パルス レーザーの波長と時間幅を最適化することでさらに向上できます。 実質的な発展が期待されています。

参考文献: 岩谷和也、横田正人、花田宏 他数十ピコ秒の時間分解能を備えた、外部トリガー可能な光ポンププローブ走査型トンネル顕微鏡。 Sci Rep. 2023;13(1):818。 土井: 10.1038/s41598-023-27383-z

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