Převratná optická metoda: Světlo odhaluje skryté vady v 2D materiálech pro budoucí elektroniku

Materiál může na povrchu vypadat bezchybně, přesto nemusí správně fungovat. Příčinou jsou strukturální vady skryté uvnitř dvourozměrných tenkých vrstev, které jsou považovány za klíčové materiály pro polovodičová zařízení nové generace.

Materiál může na povrchu vypadat bezchybně, přesto nemusí správně fungovat. Příčinou jsou strukturální vady skryté uvnitř dvourozměrných tenkých vrstev, které jsou považovány za klíčové materiály pro polovodičová zařízení nové generace. Nedávno korejský výzkumný tým vyvinul optickou analytickou metodu, která dokáže tyto neviditelné vady identifikovat pomocí světla.

Výzkumný tým pod vedením profesora Sunmina Ryua a doktorandky Yeri Lee z Katedry chemie na Pohang University of Science and Technology (POSTECH) vyvinul interferometrický zobrazovací přístup generace druhé harmonické (SHG). Tato metoda umožňuje opticky identifikovat skryté strukturální vady v tenkých vrstvách hexagonálního nitridu boru (hBN), slibného materiálu pro polovodičové technologie nové generace. Studie byla publikována v časopise Advanced Materials.

Dvourozměrné materiály se stávají klíčovými stavebními kameny pro elektronické technologie nové generace, od chytrých telefonů a umělé inteligence až po kvantové počítače. Mezi nimi je hBN často označován jako „ochranná vrstva pro 2D materiály“ díky svým vynikajícím izolačním vlastnostem, které pomáhají předcházet úniku proudu. Při syntéze hBN na velkých plochách se však uvnitř filmu mohou tvořit oblasti známé jako antiparalelní domény, kde jsou krystalové orientace obrácené.

Podobně jako námořníci veslující opačným směrem na stejné lodi, mohou tyto vnitřní signály vzájemně interferovat, což potenciálně zhoršuje elektrický a optický výkon, přestože materiál vypadá na pohled neporušeně. Konvenční analytické techniky, jako je transmisní elektronová mikroskopie (TEM) a skenovací tunelovací mikroskopie (STM), nabízejí vysoce přesná pozorování, ale nejsou vhodné pro rychlou analýzu velkých ploch. Ramanova spektroskopie, ačkoli je nedestruktivní, má také omezení v přímém rozlišování antiparalelních domén.

K překonání těchto omezení se vědci zaměřili na zobrazování generace druhé harmonické (SHG). SHG je nelineární optický jev, při kterém se generuje světlo s dvojnásobnou frekvencí dopadajícího světla, když světlo interaguje s určitými materiály. Zavedením externího referenčního signálu a přesnou analýzou fázového rozdílu mezi dvěma signály tým potvrdil, že antiparalelní domény s SHG fázemi lišícími se přesně o 180 stupňů jsou široce přítomny, a to i v oblastech, které se zdají mít stejnou orientaci.

Tým také porovnal deset tenkých vrstev hBN pěstovaných za různých podmínek a zjistil, že variace v intenzitě SHG jsou úzce spojeny nejen s rozdíly v krystalové orientaci, ale také s destruktivní interferencí mezi antiparalelními doménami. Jinými slovy, útlum světla způsobený signály generovanými v opačných směrech umožňuje kvantitativní hodnocení strukturní nehomogenity v krystalu.