“定格”电子：探知半导体缺陷

筑波大学纯科学与应用科学部的一组研究人员，成功以亚纳米级的分辨率拍摄到了电子的超快运动。此项工作为研究半导体器件提供了强有力的技术支撑，有助于推动高效电子器件的研发。

半导体器件研发者能否研制出更小型且高效的智能手机和电脑芯片，取决于对缺陷对传递信息的电子影响的了解程度。然而，这类活动发生在万亿分之一秒的尺度上，而且只能使用单个原子成像显微镜观察到。这项听起来无法实现的任务被筑波大学的研究人员们成功攻克。

图1 一处取向无序分子缺陷周围的电子运动 (a)扫描隧道显微镜成像和定格快照（白色箭头指向表示缺陷位置）。在快照中清晰可见，即使是在红外脉冲激发63 ps后，电子仍被困在图b中所示的亮处缺陷中；由于单分子位点处捕获电子，因此缺陷处比其他C60分子处更亮

实验系统由排列在金基底上的多层富勒烯结构组成（富勒烯是一种类似足球形状的碳）。研究人员首先使用一台扫描隧道显微镜来捕捉影像。使用红外电磁泵浦脉冲向样本中注入电子，以观察电子的运动。在预设的时延后，一束超快太赫兹脉冲用于测量电子的位置，增加时延可以拍摄视频的下一“帧”。这种将扫描隧道显微镜与超快脉冲相结合的方法，使该团队首次成功实现了亚纳米尺度的空间分辨率和皮秒级时间分辨率。

“借助我们的方法，能够清晰地看到分子空穴和取向无序等缺陷的影响。”本文第一作者Shoji Yoshida说。每拍摄一帧约需要2分钟的时间，因此结果可重现。这也使得该技术在半导体行业中更具实用性。

本文主要作者Hidemi Shigekawa教授说:“我们希望这项技术能够引领下一代有机电子技术的发展。”通过了解缺陷对器件性能的影响，有针对性地将一些空位、杂质或结构缺陷引入半导体器件的设计中，以控制其功能。

本文发表于ACS Photonics，题为"Terahertz Scanning Tunneling Microscopy for Visualizing Ultrafast Electron Motion in Nanoscale Potential Variations" (DOI:10.1021/acsphotonics.0c01572)。