将更智能、更强大的电子设备塞进越来越小的设备中，其中的一个挑战是开发工具和技术，以越来越精确的精度分析组成它们的材料。

密歇根州立大学的物理学家们在这方面迈出了期待已久的一步，他们采用一种将高分辨率显微镜与超快激光相结合的方法。

这项技术发表在《自然光子学》杂志上，它使研究人员能够以无与伦比的精度发现半导体中不匹配的原子。半导体物理学将这些原子称为“缺陷”，这听起来有些负面，但它们通常是故意添加到材料中的，对当今和未来设备中半导体的性能至关重要。

“这对于具有纳米级结构的组件尤其重要，”杰里考恩实验物理学讲座教授兼新研究负责人泰勒科克尔(TylerCocker)说。

其中包括计算机芯片等，它们通常使用具有纳米级特征的半导体。研究人员正在努力通过设计单原子厚度的材料，将纳米级结构发挥到极致。

“这些纳米级材料代表着半导体的未来，”科克说道，他同时还是密歇根州立大学物理与天文系超快太赫兹纳米显微镜实验室的负责人。“当你拥有纳米级电子产品时，确保电子能够按照你想要的方式移动是非常重要的。”

缺陷在电子运动中起着重要作用，这就是为什么像科克这样的科学家热衷于了解缺陷的确切位置和行为方式。科克的同行们很高兴得知，他的团队的新技术将使他们能够轻松获得这些信息。

“我的一位同事说：‘我希望你出去庆祝一下，’”科克尔说。

维德兰·杰利克(VedranJelic)是这份新报告的第一作者，他曾是科克团队的博士后研究员，目前就职于加拿大国家研究委员会。研究团队还包括博士生斯蒂芬妮·亚当斯(StefanieAdams)、伊芙·阿默曼(EveAmmerman)和穆罕默德·哈桑(MohamedHassan)，以及本科研究员凯登·克莱兰-霍斯特(KaedonCleland-Host)。

科克补充说，只要有合适的设备，这项技术很容易实现，他的团队已经将其应用于石墨烯纳米带等原子级薄的材料。

“我们有许多未完成的项目，我们在其中使用这项技术处理更多材料和更奇特的材料，”科克说。“我们基本上把它融入到我们所做的一切中，并将其作为一种标准技术。”

博士生MohamedHassan和StefanieAdams检查光学台，以调整密歇根州立大学团队新技术中使用的激光。图片来源：MattDavenport/密歇根州立大学自然科学学院

轻触

目前已经有一些工具可以帮助科学家发现单原子缺陷，尤其是扫描隧道显微镜或STM。

与许多人在高中科学课上认识的显微镜不同，STM不使用镜头和灯泡来放大物体。相反，STM使用原子级尖锐尖端扫描样本表面，几乎就像唱片机上的唱针一样。

但是STM探针尖端并不接触样品表面，它只是靠得足够近，以便电子可以在探针和样品之间跳跃或隧穿。

STM记录了有多少电子跳跃、它们从哪里跳跃以及其他信息，以提供有关样本的原子尺度信息(这就是为什么Cocker实验室将其称为纳米显微镜而不是显微镜)。

但仅靠STM数据并不总是足以清楚地解决样品中的缺陷，尤其是砷化镓——一种重要的半导体材料，存在于雷达系统、高效太阳能电池和现代电信设备中。

在他们最新的出版物中，科克和他的团队重点研究了砷化镓样品，这些样品中故意注入了硅缺陷原子，以调整电子在半导体中的移动方式。

科克尔说：“对于电子来说，硅原子基本上就像一个深坑。”

尽管理论学家几十年来一直在研究这种缺陷，但实验学家至今仍无法直接探测到这些单个原子。Cocker及其团队的新技术仍然使用STM，但研究人员还将激光脉冲直接照射到STM的尖端。

这些脉冲由太赫兹频率的光波组成，这意味着它们每秒上下抖动一万亿次。最近，理论学家已经证明，这是砷化镓样品中硅原子缺陷来回抖动的频率。

通过结合STM和太赫兹光，密歇根州立大学团队创建了一种对缺陷具有无与伦比灵敏度的探头。

当STM探针尖端到达砷化镓表面的硅缺陷时，团队的测量数据中突然出现了强烈的信号。当研究人员将探针尖端移离缺陷一个原子时，信号消失了。

科克尔说：“四十多年来，人们一直在寻找这个缺陷，现在我们可以看到它依然清晰可见。”

“一开始，很难相信，因为它太明显了，”他继续说道。“我们必须用各种方法测量，才能确定这是真的。”

然而，一旦他们确信该信号是真实的，那么由于多年来对该主题的理论研究，它很容易解释。

杰利克说：“当你发现这样的事情时，它真的很有帮助，因为已经有几十年的理论研究对其进行了彻底描述。”他和科克尔也是这篇新论文的通讯作者。

尽管Cocker的实验室处于该领域的前沿，但目前世界各地都有研究小组正在将STM与太赫兹光结合起来。除了检测缺陷之外，还有许多其他材料也可以从这项技术中受益。

现在，他的团队已经与社区分享了他们的方法，科克尔很高兴看到还有什么其他的发现。

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