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科学家利用紫外激光对纳米材料进行前所未有的测量

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  • 发布时间:2020-07-17 14:40
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【概要描述】科罗拉多大学博尔德分校的研究人员利用超快的极紫外激光来测量比人类红血球薄100多倍的材料的特性。由JILA的科学家领导的团队本周在《Physical Review Materials》杂志上报告了其晶圆厚度的新壮举。

科学家利用紫外激光对纳米材料进行前所未有的测量

【概要描述】科罗拉多大学博尔德分校的研究人员利用超快的极紫外激光来测量比人类红血球薄100多倍的材料的特性。由JILA的科学家领导的团队本周在《Physical Review Materials》杂志上报告了其晶圆厚度的新壮举。

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科罗拉多大学博尔德分校的研究人员利用超快的极紫外激光来测量比人类红血球薄100多倍的材料的特性。由JILA的科学家领导的团队本周在《Physical Review Materials》杂志上报告了其晶圆厚度的新壮举。

研究报告的共同作者Joshua Knobloch说,该小组的目标,是一种厚度只有5纳米的薄膜,是研究人员有史以来能够完全探测的最薄的材料。"这是一项创纪录的研究,看看我们能走多小,我们能有多准确,"JILA的研究生Knobloch说,JILA是CU Boulder和国家标准与技术研究所(NIST)之间的合作伙伴关系。

他补充说,当事情变得很小的时候,工程的正常规则并不总是适用。例如,该小组发现,一些材料似乎变得越薄越软。研究人员希望,他们的发现有朝一日可以帮助科学家更好地驾驭经常无法预测的纳米世界,设计出更微小、更高效的计算机电路、半导体和其他技术。

"如果你正在做纳米工程,你不能只是把你的材料当作普通的大材料,"论文的主要作者、JILA的前研究生Travis Frazer说。"因为它很小的事实使它的行为就像一种不同的材料。"

"这一令人惊讶的发现:非常薄的材料可以比预期的软弱10倍,是新工具如何帮助我们更好地理解纳米世界的又一个例子,"研究的共同作者、CU Boulder物理学教授和JILA研究员Margaret Murnane说。

这项研究是在许多技术公司正试图做到小型化的时候进行的。一些公司正在试验制造高效计算机芯片的方法,这种方法将薄薄的材料薄膜一层一层地叠加在一起,就像filo pastry一样,但是在笔记本电脑里面。

为了帮助实现这一目标,他和他的同事们部署了极紫外激光器,或提供比传统激光器波长更短的辐射束,这些波长与纳米世界非常匹配。研究人员开发了一种设置,使他们能够将这些光束从只有几股DNA厚度的材料层上反弹,跟踪这些薄膜的不同振动方式。"如果你能测量你的材料摆动的速度,那么你就能弄清楚它有多硬,"Frazer说。

这种方法还揭示了当你把材料做得非常非常小的时候,材料的特性会发生多大的变化。例如,在最近的研究中,研究人员探究了两种由碳化硅制成的薄膜的相对强度:一种约46纳米厚,另一种只有5纳米厚。该团队的紫外线激光器带来了令人惊讶的结果。较薄的薄膜比较厚的对应物软了约10倍,或者说刚度更低,这是研究人员没有想到的。

Frazer解释说,如果你把薄膜做得太薄,你就会切断将材料固定在一起的原子键,有点像解开一条磨损的绳子。"薄膜顶部的原子在其下方有其他原子可以抓住,"Frazer说。"但在它们上面,原子没有任何它们可以抓住的东西。"

但他补充说,并不是所有的材料都会有同样的表现。研究小组还在第二种材料上重新进行了同样的实验,这种材料与第一种材料几乎完全相同,但有一个很大的区别,这种材料中加入了更多的氢原子。这样的 "掺杂 "过程会自然地破坏材料内部的原子键,使其失去强度。

当研究小组用激光测试第二种更薄的材料时,他们发现了一些新的东西:这种材料在44纳米厚的时候和11纳米厚的时候一样坚固。换句话说,额外的氢原子已经削弱了材料的强度,额外的收缩已经不能再造成伤害了。

最后,该团队表示,其新的紫外线激光工具为科学家们提供了一个窗口,进入了一个以前科学无法掌握的领域。"现在人们正在构建非常非常小的设备,他们正在询问像厚度或形状这样的属性如何改变他们的材料的行为,"Knobloch说。"这给我们提供了一种获取纳米级技术信息的新方法。"

论文标题为《Full characterization of ultrathin 5-nm low- k dielectric bilayers: Influence of dopants and surfaces on the mechanical properties》。( 来源:科技报告与资讯

 

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