Ученые из Национальной лаборатории Оук-Ридж Министерства энергетики США разработали метод наблюдения за изменениями в материалах на атомном уровне, который открывает новые возможности для понимания и разработки материалов для квантовых вычислений и электроники.

Метод, получивший название «Система быстрого обнаружения и реагирования на объекты» (RODAS), объединяет визуализацию, спектроскопию и микроскопию для фиксации свойств быстро меняющихся атомных структур по мере их формирования.

Традиционные подходы, объединяющие сканирующую просвечивающую электронную микроскопию (STEM) со спектроскопией потери энергии электронов (EELS), были ограничены, поскольку электронный луч может изменять или ухудшать анализируемые материалы. Это часто заставляет учёных измерять изменённые состояния, а не предполагаемые свойства материалов. RODAS преодолевает это ограничение и также интегрирует систему с динамической визуализацией с использованием компьютерного зрения, которая использует машинное обучение в реальном времени.

При анализе образца RODAS фокусируется только на интересующих областях. Такой подход обеспечивает быстрый анализ — за секунды или миллисекунды — по сравнению с несколькими минутами, которые могут потребоваться для других методов. При этом, RODAS извлекает важную информацию, не разрушая образец.

Иллюстрация измерения электронной микроскопии только интересующих участков (цветные круги), что позволяет проводить эксперименты на гораздо большем количестве материалов. Источник: Kevin Roccapriore, Scott Gibson / ORNL, U.S. Dept. of Energy

Все материалы имеют дефекты, которые могут напрямую влиять на любые свойства материала — механические или квантовые. Дефекты могут организовываться различными способами на атомном уровне, как внутренне, так и в ответ на внешние стимулы, такие как облучение электронным пучком. Локальные свойства этих различных конфигураций дефектов не очень хорошо изучены. Хотя методы STEM позволяют экспериментальные измерения, исследование конкретных конфигураций без их изменения является чрезвычайно сложной задачей.

Исследовательская группа продемонстрировала свою методику на однослойном дисульфиде молибдена, перспективном полупроводниковом материале для квантовых вычислений и оптических приложений. Дисульфид молибдена особенно интересен, поскольку он может испускать одиночные фотоны из дефектов, это относится к отсутствию одного атома серы в его решётчатой структуре. Эти дефекты могут группироваться, создавая уникальные электронные свойства, которые делают дисульфид молибдена ценным для передовых технологических применений. Изучая дисульфид молибдена и подобные однослойные материалы, учёные надеются ответить на важные вопросы об оптических или электронных свойствах на атомном уровне.

Метод RODAS представляет собой значительный шаг вперёд в характеристике материалов. Он позволяет динамически исследовать взаимосвязи структура-свойство во время анализа, нацеливаться на определённые атомы или дефекты для измерения по мере их формирования, эффективно собирать данные о различных типах дефектов, адаптироваться для идентификации новых атомных или дефектных классов в реальном времени и минимизировать повреждение образца, сохраняя при этом подробный анализ.

Применив эту технологию к одному слою дисульфида молибдена, легированного ванадием, исследовательская группа получила новое понимание образования и эволюции дефектов под воздействием электронного пучка.

Возможность наблюдать и анализировать материалы на атомном уровне в режиме реального времени демонстрирует потенциал для расширения границ в области вычислительной техники, электроники и за её пределами.

Подробнее на iXBT