Focus: Wichelroedelopen voor Silicium

door Nancy K Baumgarten

Dongmin Chen/Rowland Instituut voor WetenschapBegraven schat. STM-beeld van het loodoppervlak weerspiegelt de belangrijkste kenmerken van het begraven siliciumoppervlak.

“Wichelroedelopers” beweren ondergronds water te detecteren zonder te graven, met behulp van een magische gevorkte boomtak. In de PRL van 1 juni demonstreert een team het equivalent op atomaire schaal door de nuances van een siliciumoppervlak diep onder een laag lood in beeld te brengen. Met behulp van een scanning tunneling microscope (STM) kregen ze een verrassend duidelijk beeld van de begraven interface, wat suggereert dat de vele natuurkundigen die gelaagde structuren op atomaire schaal maken, baat zouden kunnen hebben bij de techniek.

Vorig jaar in een krant, (1997) Dongmin Chen, van het Rowland Institute for Science in Cambridge, MA, en zijn collega’s demonstreerden de “kwantumwig”, waar ze loodatomen afzetten bovenop een “trap” van silicium “terrassen”. Toen ze het atomair gladde bovenoppervlak van het lood in beeld brachten, zagen ze afwisselend lichte en donkere strepen die de onderliggende siliciumtrap weerspiegelden, waarbij elke stap de dikte van het lood met één atomaire laag veranderde. De STM ziet alleen elektronen, maar de strepen zijn analoog aan de kleurrijke interferentiepatronen van zeepbellen: de overgang van een heldere naar een donkere band van een specifieke kleur komt overeen met het veranderen van de dikte met een kwart golflengte van het licht. In de kwantumwig zijn de strepen afkomstig van staande golven van loodelektronen, die afwisselend knopen en antinodes vormen aan het oppervlak van de draad,

Het team toonde een hoge gevoeligheid voor begraven verticale kenmerken en onderzocht de laterale resolutie van de methode in hun nieuwste werk. Ze wijzen erop dat je met een dikke (100 Å) laag metaal niet zou verwachten dat begraven kenmerken zo klein als een elektronengolflengte (ongeveer 6 Å) worden opgelost vanwege diffractie – zulke kleine details zouden normaal gesproken worden vervaagd. Maar ze waren in staat om patronen op de leiding te zien die duidelijk de atomaire structuur van het onderliggende siliciumoppervlak weerkaatsten, met een resolutie van ongeveer 6 Å. “Dat hadden we helemaal niet verwacht”, zegt Chen, en hij voegt eraan toe dat sommige collega’s sceptisch waren of de experimenten correct waren uitgevoerd.

Chen en zijn medewerkers zeggen dat de onverwachte laterale resolutie het gevolg is van de anisotropie van de loden laag. De meeste beweging van de geleidingselektronen is verticaal – ze bewegen traag in horizontale richting – zodat ze informatie over de begraven interface efficiënt aan het oppervlak van de geleider leveren. Met weinig horizontale beweging blijven afbeeldingen van kleine kenmerken onscherp door de reis van de elektronen van de interface naar de STM-tip. In de paper legt het team het effect uit, dat ze ‘niet-diffractieve verstrooiing’ noemen, door het systeem kwantummechanisch te analyseren.

Chen zegt dat de aanpak voor veel andere systemen zou moeten werken, met name voor het monitoren van de evolutie van lagen op atomaire schaal in toepassingen voor nanofabricage. Hij zegt dat de aanpak het voordeel heeft dat hij niet-destructief is en de eigen elektronen van het monster gebruikt, die een schat aan informatie over hun omgeving bevatten: “Als je in het huis woont”, zegt Chen, “weet je hoe je omheining eruit ziet.” Daniel Pierce, van het National Institute of Standards and Technology in Gaithersburg, MD, noemt de resultaten “fascinerend” en is onder de indruk van de laterale resolutie.