深紫外激光技术，改变金刚石的未来

由美国科罗拉多大学物理学教授Margaret Murnane和Henry Kapteyn领导的联合实验室研究团队开发出了一种突破性显微镜，能够以前所未有的规模研究超宽带隙材料。研究团队制造的深紫外显微镜用于研究难以分析的材料（如金刚石），提供了一种在纳米尺度上探测电子和热特性的新方法。

衍射光学器件产生两束DUV光束，通过4f成像系统在样品表面（金刚石）上聚焦和干涉，生成微观正弦激发曲线

这项由行业挑战引发的创新，利用了高能激光创造出纳米级热模式，揭示了对先进电子产品至关重要的传输行为。该团队成员包括研究生Emma Nelson、Theodore Culman、Brendan McBennett以及前博士后研究员Albert Beardo和Joshua Knobloch。研究团队最近在《物理应用评论》上发表了研究成果。她们创新的台式深紫外（DUV）激光显微镜，可以激发和分析金刚石等材料中的纳米级传输过程。

超宽带隙半导体及其潜力

金刚石等超宽带隙半导体，正在为下一代电子产品铺平道路。与传统硅基材料相比，它们在价带和导带之间更宽的能隙使其能够承受更高的电压、以更快的速度运行并实现更高的效率。然而，研究电荷和热量如何在极小尺度（从纳米到微米）的材料中移动，一直是业界面临的重大挑战。在这种情况下，材料研究中常用的可见光就显得力不从心，因为它无法有效探测纳米尺度的特性。此外，由于金刚石不吸收可见光，因此不能用来产生电流或快速加热。

研究团队所开发的显微镜的工作原理是利用高能DUV激光，在材料表面形成纳米级干涉图案。该图案以可控的周期性方式加热材料，使研究人员能够监测热量如何随时间消散。这些观察结果为深入了解材料的电子、热和机械特性提供了重要依据，其空间分辨率可达287纳米，远远超出了可见光所能达到的水平。

Murnane表示，这种新的探测能力对于未来基于金刚石或氮化物而不是硅基的电力电子、高频通信和计算设备，非常重要。科学家们只有了解了材料的行为，才能解决在许多采用超宽带隙材料的纳米设备中观察到的短寿命挑战。

来自行业合作伙伴的挑战

对于Nelson和其他研究人员来说，该项目始于一个行业合作伙伴提出的意想不到的挑战。她说：3M公司找到我们，希望研究一种与现有显微镜不兼容的超宽材料样品。团队随后与3M公司的科学家Matthew Frey和Matthew Atkinson合作，制造了一台可以对这种材料传输进行成像的显微镜。

传统的成像方法依靠可见光来观察半导体和其她材料的微观组成和传输行为，这对于研究带隙较小的材料非常有效。然而，金刚石的价带和导带之间的能隙要大得多——通常超过4电子伏特(eV)——这使得它们对能量较低的可见光和红外线是透明的。需要紫外线（UV）范围或更高能量的光子，才能与这些材料中的电子相互作用并激发电子。

可见光装置在空间分辨率方面显得吃力，因为较长波长限制了探测纳米级尺寸的能力。这些局限性启发了研究小组对改进成像装置的新思路。Nelson说：团队集思广益，想出了一个新实验，以扩大研究范围。经过多年努力，我们终于开发出了一种紧凑型显微镜，这种显微镜利用紫外光在材料表面产生纳米级热图案，而不改变材料本身。

潜入深紫外区

为了产生深紫外光，研究小组首先使用激光器发射波长为800纳米的脉冲光。然后，她们通过将激光穿过非线性晶体并操纵其能量，逐步将其转换为越来越短的波长，最终产生了波长约为200纳米的深紫外光源。每一步都需要在晶体内精确地调整激光脉冲的空间和时间，以有效地达到所需的波长。

Nelson说：在大流行病期间，我们花了几年时间才使实验成功。她描述了通过三个连续晶体对准光线的反复试验过程。但是，一旦我们有了这个装置，我们就能在桌面上创造出前所未有的图案。

创建纳米级图案的复杂过程

为了产生这种被称为瞬态光栅的周期性图案，研究人员使用衍射光栅将紫外光分成两束相同的光。这些光束以略微不同的角度照射到材料表面，在那里它们相互重叠和干涉，形成了高能量和低能量交替的精确正弦曲线图案。这种干涉图案就像纳米级“光栅”，以可控的方式暂时加热材料，并产生局部的能量变化。

通过这一过程，研究小组可以研究热量、电子或机械波（取决于材料）如何在纳米级光栅上传播和相互作用。光栅的周期定义了这些高能峰之间的距离，与光源的波长密切相关，研究人员可以通过使用更高能量（和更短波长）的光，来获得更短的周期。

研究人员通过调整光束角度，从而调整周期，并对微观尺度上的传输现象进行详细研究。例如，在这项实验中，研究小组实现了精细到287纳米的光栅图案，创下了激光桌面装置的纪录。

测试新型DUV显微镜

DUV瞬态光栅系统投入使用后，研究小组的工作重点是验证其准确性并探索功能。他们的首次测试涉及金薄膜。由于金薄膜的特性广为人知，因此被用作基准材料。研究人员利用新系统产生纳米级热模式，在薄膜表面发射声波。通过分析这些声波的频率和行为，他们提取了密度和弹性等材料特性。

为了证实结果，Nelson开发了计算机模型，模拟金薄膜在类似条件下的行为。实验数据与她的预测非常吻合，有力验证了系统的精确性。Nelson说：看到实验成功并与创建的模型相吻合，我们松了一口气，这是一个激动人心的里程碑。

揭开金刚石特性的新奥秘

接下来，研究小组使用新的紫外显微镜观察金刚石，这种材料因卓越的电子和热性能而备受推崇。以前，研究金刚石的技术往往需要进行物理改动，如添加纳米结构或涂层，从而在无意中改变了金刚石的特性。DUV系统消除了这种需要，使研究小组能够研究原始状态的金刚石。

研究人员利用新装置观察到电荷载流子——电子和空穴——在被紫外光激发后，是如何在金刚石上扩散的。这一过程揭示了金刚石纳米级传输动力学的新见解，尤其是在纳米尺度上。

对未来技术的更广泛影响

除了验证系统和探索金刚石的特性，研究小组的发现还揭示了纳米级热传输的其他问题。在如此小的尺度上，热量并不总是像传统物理模型所预测的那样进行平滑、连续的流动。相反，纳米尺度的传输可能涉及弹道效应和流体力学效应，其中像声子这样的能量载体可以直线传播而不发生散射，也可以像水流一样在通道中扩散。

随着研究人员不断完善这些技术和探索新材料，这一进步将在高性能电力电子器件、高效通信系统和量子技术的发展中，发挥至关重要的作用。在推动现代设备发展的过程中，金刚石可能并不是主角，但它们对纳米科学的影响将会持续下去。

作者：Kenna Hughes-Castleberry

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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