据国外媒体消息，美国天体物理联合实验室(JILA)的研究人员近日开发出一种新型显微镜，它可以以前所未有的规模检查超宽带隙半导体（如金刚石）材料。这种显微镜利用了深紫外激光技术，能在纳米尺度上观测材料的电子、热和机械特性。据介绍，该技术通过高能深紫外激光在材料表面形成纳米级干涉图案，可观察这种图案如何随时间衰减，并提供高达287纳米的空间分辨率。相关研究成果已发表在《物理评论审查》上。

研究目的：为何开展这项研究

超宽带隙半导体（如钻石）因其价带和导带之间的能量间隙更大，能够承受更高的电压、在更高频率下运行，并且比传统材料（如硅）具有更高的效率，因此在下一代电子技术中极具潜力。

然而，它们的独特属性使得在纳米到微米尺度上探测和理解电荷和热量的传输变得极具挑战性。可见光在探测纳米尺度特性方面能力有限，而且钻石不吸收可见光，因此无法利用可见光来激发电流或快速加热。

为更好解决这一问题，来自材料巨头3M的材料科学家马修·弗雷（Matthew Frey）和马修·阿特金森（Matthew Atkinson）与科罗拉多大学物理系教授玛格丽特·默纳恩（Margaret Murnane）和亨利·卡普特恩（Henry Kapteyn）带领的JILA团队合作，共同开发了一种新型显微镜，使得在前所未有的尺度上研究这些材料成为可能。

默纳恩表示，这种新的探测能力对于未来基于钻石或氮化物而非硅的功率电子器件、高频通信和计算设备至关重要。只有理解材料的行为，科学家才能应对许多超宽带隙材料纳米器件中观察到的短寿命挑战。

研究方法：如何实现这一进展

传统成像方法依赖于可见光来观察半导体和其他材料的微观组成和传输行为，这对于研究带隙较小的材料是有效的。

然而，像钻石这样常用于电子元件的材料，其价带和导带之间的能量间隙通常超过4电子伏特（eV），使得它们对低能量的可见光和红外光是透明的。需要更高能量的紫外（UV）光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它们。

此外，可见光成像方法在空间分辨率上也存在局限性，较长的波长限制了其对现代器件相关的纳米尺度的探测能力。这些局限性促使该联合研究团队，为他们的成像装置“跳出框框”进行思考。

尼尔森说：“我们构思了一个新的实验，以拓展我们实验室能够研究的范围。”其成果是一项历时多年的努力，开发出一种紧凑型显微镜，利用深紫外（DUV）光在材料表面生成纳米尺度的热图案，而不会改变材料本身。

为了产生DUV光，研究团队首先使用一台发射波长为800纳米的激光器。然后，通过将激光光通过非线性晶体并操纵其能量，团队逐步将其转换为越来越短的波长，最终产生了一个波长约为200纳米的强大深紫外光源。每一步都需要在晶体中精确对准激光脉冲的空间和时间，以高效地实现所需的波长。

尼尔森描述了在疫情期间通过试错法将光通过三个连续晶体对准的过程，她说：“实验花了几年时间才开始运作，但一旦我们搭建好装置，我们就能在台面上实现前所未有的尺度上的图案。”为了产生称为瞬态光栅的周期性图案，研究人员使用衍射光栅将DUV光分成两个相同的光束。

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并相互干涉，形成了一个精确的正弦波图案，交替出现高能量和低能量区域。这种干涉图案作为一个纳米尺度的“光栅”，以受控的方式暂时加热材料，并产生局部能量变化。这个过程使团队能够研究热量、电子或机械波（取决于材料）如何在纳米尺度光栅上传播和相互作用。

光栅的周期性（定义了这些高能量峰之间的距离）与光源的波长密切相关，通过使用更高能量（和更短波长）的光，研究人员可以获得更短的周期。通过调整光束的角度，可以调节周期性，从而在微观尺度上详细研究传输现象。例如，在这个实验中，团队实现了精细度为287纳米的光栅图案，这是激光台面装置的记录。

研究意义：这一科研进展的价值

一旦DUV瞬态光栅系统投入运行，团队便专注于验证其准确性并探索其能力。他们的首次测试对象是薄金膜，这种材料因其特性已被充分理解而被用作基准材料。研究人员利用他们的系统在薄膜表面生成纳米尺度的热图案，激发声波。通过分析这些声波的频率和行为，他们提取了材料的特性，如密度和弹性。

为了验证他们的结果，尼尔森开发了计算机模型，模拟金膜在类似条件下的行为。实验数据与她的预测非常接近，有力地验证了系统的精确性。尼尔森说：“看到实验成功并与我们创建的模型一致，这既是一种解脱，也是一个令人兴奋的里程碑。”

接下来，团队利用他们的新型DUV显微镜研究钻石，这种材料因其卓越的电子和热性能而备受推崇。以往研究钻石的技术通常需要进行物理改造，例如添加纳米结构或涂层，这无意中改变了其特性。DUV系统消除了这种需求，使团队能够在钻石的原始状态下进行研究。

利用他们的新装置，研究人员观察了在DUV光激发后，电荷载流子（电子和空穴）如何在钻石中扩散。这一过程揭示了钻石在纳米尺度上的传输动态的新见解，特别是在纳米尺度上。

除了验证系统和探索钻石的特性外，团队的发现还为纳米尺度热传输的更广泛问题提供了启示。在如此小的尺度上，热量并不总是按照传统物理模型所预测的那样行为，这些模型假设热量的流动是平滑且连续的。相反，纳米尺度传输可能涉及弹道和流体动力学效应，其中能量载体（如声子）可以像子弹一样直线传播而不发生散射，或者像水流通过管道一样扩散。

随着研究人员继续完善这些技术并探索新材料，这一进步可能在高性能功率电子器件、高效通信系统和量子技术的发展中发挥关键作用。在追求突破现代器件极限的过程中，钻石或许不会永恒，但其对纳米科学的影响必将长存。

这项研究得到了STROBE科学技术中心和3M公司的支持。