物理學家利用高解析度顯微鏡和超快雷射開發出一種突破性技術，可精確識別半導體中的缺陷。這種新方法在奈米級元件中尤其有效，能夠觀察到原子缺陷周圍電子運動的前所未有的細節，極大地推動了半導體物理學領域的發展，並為石墨烯等材料帶來了新的可能性。

密西根州立大學將紅色波浪箭頭所示的太赫茲雷射光束與掃描穿隧顯微鏡（STM）的尖端結合在一起–深色的金字塔形狀與藍色表面所示的樣品交換紅色電子。資料來源：Eve Ammerman

要把更智慧、更強大的電子裝置塞進日益縮小的裝置中，所面臨的挑戰之一就是開發工具和技術，對組成這些裝置的材料進行日益精確的分析。

密西根州立大學的物理學家在這方面邁出了期待已久的一步，他們採用了一種將高解析度顯微鏡與超快雷射結合的方法。

《自然-光子學》（Nature Photonics）雜誌介紹了這項技術，它使研究人員能夠以無與倫比的精度發現半導體中的錯位原子。半導體物理學將這些原子稱為”缺陷”，這聽起來有些負面，但它們通常是有意添加到材料中的，對當今和未來設備中半導體的性能至關重要。

這項研究的負責人、傑裡-考文實驗物理學講座教授泰勒-科克（Tyler Cocker）說：”這對於具有奈米級結構的組件尤其重要。”

密西根州立大學傑裡-考恩實驗物理學捐贈講座教授泰勒-考克（左）與博士生斯蒂芬妮-亞當斯（Stefanie Adams）和穆罕默德-哈桑（Mohamed Hassan）在超快太赫茲納米鏡實驗室。圖片來源：Matt Davenport/密西根州立大學自然科學學院

這包括電腦晶片等，它們通常使用具有奈米級特徵的半導體。研究人員正致力於將奈米級結構發揮到極致，設計出只有一個原子厚度的材料。

科克說：「這些奈米材料是半導體的未來，當擁有奈米級電子裝置時，確保電子能以你想要的方式運動真的很重要」。他也領導MSU 物理與天文學系的超快太赫茲奈米光學實驗室。

缺陷在電子運動中扮演著重要角色，這就是為什麼像科克這樣的科學家熱衷於準確了解缺陷的位置及其行為。當科克的同行們得知他的團隊的新技術可以讓他們輕鬆獲得這些資訊時，都感到非常興奮。

維德蘭-耶利奇（Vedran Jelic）作為科克研究小組的博士後研究員率先開展了這一項目，他目前在加拿大國家研究理事會工作，是新報告的第一作者。研究小組成員還包括博士生Stefanie Adams、Eve Ammerman 和Mohamed Hassan，以及本科生研究員Kaedon Cleland-Host。

科克補充說，只要有合適的設備，這種技術就可以直接實施，他的團隊已經將其應用於石墨烯奈米帶等原子級薄材料。

科克說：”我們有許多開放項目，在這些項目中，我們用更多的材料和更奇特的材料來使用這種技術。我們把它融入到我們所做的一切工作中，並將其作為一種標準技術來使用”。

博士生穆罕默德-哈桑（Mohamed Hassan）和斯蒂芬妮-亞當斯（Stefanie Adams）檢查光學台，以調整密西根州立大學團隊新技術中使用的雷射。圖片來源：Matt Davenport/密西根州立大學自然科學學院

目前已經有一些工具，特別是掃描穿隧顯微鏡（STM），可以幫助科學家發現單原子缺陷。

與許多人在高中科學課上認識的顯微鏡不同，STM 不會使用透鏡和燈泡來放大物體。相反，STM 使用原子般鋒利的尖端掃描樣品表面，就像唱片機上的觸針一樣。但STM 的針尖並不會接觸樣品表面，它只是足夠靠近，以便電子在針尖和樣品之間躍遷或穿隧。

STM 記錄了電子躍遷的數量、躍遷的位置以及其他信息，從而提供有關樣品的原子尺度信息（因此，科克的實驗室將其稱為奈米鏡，而不是顯微鏡）。但是，僅憑STM 數據並不總是清楚分辨出樣品中的缺陷，尤其是砷化鎵，這是一種重要的半導體材料，可用於雷達系統、高效能太陽能電池和現代電信設備。

在最新發表的論文中，Cocker 和他的團隊重點研究了有意注入矽缺陷原子的砷化鎵樣品，以調整電子在半導體中移動的方式。

“對電子來說，矽原子就像一個深坑，”科克說。儘管理論家們對這類缺陷的研究已有數十年之久，但實驗學家們直到現在才能夠直接探測到這些單原子。科克和他的團隊的新技術仍然使用STM，但研究人員也將雷射脈衝直接照射到STM 的尖端。

這些脈衝由太赫茲頻率的光波組成，即每秒上下抖動一兆次。最近，理論家證明，這與矽原子缺陷在砷化鎵樣本中來回抖動的頻率相同。

透過將STM 和太赫茲光耦合在一起，MSU 團隊創造出了一種探針，它對缺陷具有無與倫比的靈敏度。當STM 針尖接觸到砷化鎵表面的矽缺陷時，研究小組的測量數據中突然出現了一個強烈的訊號。當研究人員將針尖從缺陷處移開一個原子時，訊號消失了。

科克說：”這就是人們四十多年來一直在尋找的缺陷，我們可以看到它像鐘一樣敲響。”

他繼續說：”起初，我們很難相信，因為它太獨特了。我們不得不對它進行全方位的測量，以確定它是真實存在的。”

然而，他們確信訊號是真的以後，就很容易解釋了，這要歸功於多年來對這個主題的理論研究。

儘管科克的實驗室處於這一領域的最前沿，但目前世界各地都有研究小組將STM 與太赫茲光結合。除檢測缺陷外，還有許多其他材料也可以從這項技術的應用中獲益。

現在，他的團隊已經與社區分享了自己的方法，科克很高興看到還有其他發現在等著他。

編譯自/ ScitechDaily