Более пристальный взгляд внутрь полупроводников

Изображения предоставляют информацию - то, что мы можем наблюдать собственными глазами, позволяет нам это понять. Постоянное расширение поля восприятия до измерений, изначально скрытых от невооруженного глаза, продвигает науку вперед. Сегодня все более мощные микроскопы позволяют нам заглядывать в клетки и ткани живых организмов, в мир микроорганизмов, а также в неодушевленную природу. Но даже у лучших микроскопов есть свои пределы. «Чтобы иметь возможность наблюдать структуры и процессы вплоть до наномасштабного уровня и ниже, нам нужны новые методы и технологии», - говорит д-р Сильвио Фуш (Silvio Fuchs) из Института оптики и квантовой электроники Йенского университета. Это, в частности, относится к технологическим областям, таким как исследование материалов или обработка данных. «В наши дни электронные компоненты, компьютерные микросхемы или схемы становятся все мельче», - добавляет Фуш. Вместе с коллегами он разработал метод, позволяющий отображать и изучать такие крошечные сложные структуры и даже «заглядывать внутрь», не разрушая их. В выпуске научного журнала Optica исследователи представили свой метод - когерентную томографию с экстремальным ультрафиолетовым светом (сокращенно XCT) - и демонстрируют его потенциал в исследованиях и применении.

Процедура визуализации основана на оптической когерентной томографии (ОКТ), которая использовалась в офтальмологии в течение ряда лет, - объясняет докторант Феликс Визнер (Felix Wiesner), ведущий автор исследования. «Эти устройства были разработаны для неинвазивного исследования сетчатки глаза, слой за слоем, для создания трехмерных изображений». В офтальмологии OКT использует инфракрасный свет для освещения сетчатки. Излучение подбирается таким образом, чтобы исследуемая ткань не слишком сильно его поглощала и могла отражаться от внутренних структур. Однако физики в Йене используют ультракоротковолновый ультрафиолетовый свет вместо длинноволнового инфракрасного для своих ОКТ. «Это связано с размером структур, которые мы хотим отобразить», - говорит Феликс Визнер. Чтобы изучить полупроводниковые материалы с размером структуры всего несколько нанометров, необходим свет с длиной волны всего несколько нанометров.

Генерация такого ультракоротковолнового ультрафиолетового света (XUV) раньше была сложной задачей и была возможна только в крупномасштабных исследовательских центрах. Физики Йены, однако, генерируют широкополосный XUV в обычной лаборатории и используют для этой цели так называемые высокие гармоники. Это излучение, которое создается взаимодействием лазерного света со средой, и его частота во много раз превышает частоту исходного света. Чем выше порядок гармоник, тем короче результирующая длина волны. «Таким образом, мы генерируем свет с длиной волны от 10 до 80 нанометров с помощью инфракрасных лазеров, - объясняет Герхард Паулюс (Gerhard Paulus), профессор нелинейной оптики в Йенском университете. - Как и облучаемый лазерным светом, полученный широкополосный XUV-свет также является когерентным, что означает, что он имеет свойства, подобные лазеру».

В работе, описанной в их текущей статье, физики подвергли структуры наноскопических слоев в кремнии когерентному XUV-излучению и проанализировали отраженный свет. Образцы кремния содержали тонкие слои других металлов, таких как титан или серебро, на разной глубине. Поскольку эти материалы имеют отражательные свойства, отличные от кремния, их можно обнаружить в отраженном излучении. Этот метод настолько точен, что не только может быть отображена глубинная структура крошечных образцов с нанометровой точностью, но из-за различного отражательного поведения и химический состав образцов также может быть определен точно и, прежде всего, в неразрушающим способом. «Это делает когерентную томографию интересным приложением для проверки полупроводников, солнечных элементов или многослойных оптических компонентов», - говорит Паулюс. Его можно использовать для контроля качества в процессе производства таких наноматериалов, для обнаружения внутренних дефектов или химических примесей.

Исследовательская группа разрабатывает метод визуализации с высоким разрешением, который можно использовать для исследования материалов неразрушающим способом и с нанометровой точностью