Laserová THz emisní mikroskopie LTEM (Laser THz emission microscopy) v blízkém poli (SNOM)
Terahertzové záření je elektromagnetické vlnění, které se nachází mezi mikrovlnným a infračerveným zářením, s frekvencemi řádu desetin Terahertz (0,1 THz odpovídá vlnové délce 3 mm) až řádu desítek THz (10 THz odpovídá vlnové délce 30 µm); Obrázek 1. Toto záření na pomezí optiky/fotoniky a elektroniky našlo uplatnění v mnoha vědních oborech a praktických aplikacích. Můžeme uvést například lékařství (od výzkumu rakoviny až po analýzu DNA), přírodní vědy (výzkum vlastností pevných látek jako supravodivost, magnetorezistence či transportní jevy; v případě časově rozlišitelné THz spektroskopie lze dokonce zkoumat fyzikální podstatu zmíněných jevů), forenzní analýzu či ověřování kvality výrobků, a také zkoumání jevů, s nimiž pracuje např. spintronika, zkoumající možnosti uchování a přenosu informace prostřednictvím spinu elektronů.
Obrázek 1: Elektromagnetické spektrum
(William Ghann and Jamal Uddin: Terahertz (THz) Spectroscopy: A Cutting‐Edge Technology)
THz emisní spektroskopie (TES) je relativně nová metoda moderní spektroskopie, která ke zkoumání materiálů používá THz vlny. Ve většině případů je zde zdrojem THz záření samotný měřený vzorek; díky tzv. budicímu záření. S emitovanými THz vlnami lze získat jednak informace o procesu zodpovědném za tuto emisi (optické usměrnění, shift currents, charge transfer atd.), ale i dalších procesech, které mohou naopak právě „soutěžit“ s generováním THz vln, a bránit tak emisi THz záření vzorkem.
Laserová THz (terahertzová) emisní mikroskopie (LTEM), moderní varianta této technologie, je metoda tzv. imagingu, která se stala v posledních několika letech silným nástrojem pro studium a lokalizaci elektrických poruch v integrovaných obvodech, výzkum a kontrolu kvality fotovodičů, nelineárních optických krystalů (ZnTe, GaP atd.), hodnocení vlastností povrchů a rozhraní v systémech na bázi křemíku jako např. Si-MOS, výzkum polovodičů na bázi perovskitů atd.
Buzení THz záření ve vzorku se obvykle děje pomocí fotoexcitace ultra-rychlým pulzním laserem; měřicí systém následně detekuje lokální variace emitovaného THz záření s velmi vysokým prostorovým rozlišením. Toto rozlišení je obvykle menší než 1 mikron a je závislé zejména na fokusaci excitačního laserového paprsku, např. pomocí použitého objektivu. Dalším revolučním krokem pro radikální zvýšení prostorového rozlišení LTEM imagingu je kombinace této techniky měření s technologií s-SNOM. Tato měřicí technika kombinuje klasickou AFM (mikroskopii atomárních sil) se spektroskopií. Elektromagnetické záření (excitační) je fokusováno na ostrý kovový AFM hrot (tip) umístěný v nano-vzdálenosti od povrchu vzorku a během automatického mapování se kromě jiného detekuje i rozptýlené záření. Použitý AFM tip tedy funguje jako nano-sonda a prostorové rozlišení je pak přímo závislé na její velikosti. s-SNOM má velmi významný dopad zejména v analýzách, které používají infračervenou oblast spektra, kde ji lze považovat za klasickou infračervenou (IR, FT-IR) mikroskopii, avšak s výjimečným prostorovým rozlišením pod 10 nanometrů.
Spojení krátkovlnného THz záření s AFM hrotem v nanoměřítku je však velmi náročné, což obvykle brání studiu nových polovodičových materiálů s velkou šířkou tzv. zakázaného pásu (band gap) - především struktur jako GaN/AlGaN/AlN/Si atd. V této studii bylo dosaženo prvního úspěšného měření pomocí kombinace zobrazovacích technik LTEM a THz s-SNOM za použití vyšší energie než 3 eV, což zde umožňuje použití vysoce přesně fokusovaného modrého laseru (410 nm femtosekundový pulzní laser) pro získání prostorového rozlišení v řádu nanometrů (Obrázek 2).
Obrázek 2: NIR záření (820 nm), modré záření (410 nm) a THz záření jsou generovány samostatně, THz pulsy pomocí konvenční fotovodivé antény (PCA). Všechny tři paprsky se pak v jednom bodě sbíhají a fokusují na AFM hrot. Rozptýlené a vzorkem emitované THz pulzy jsou koherentně detekovány metodou elektrooptického vzorkování (EOS)
Výsledkem této kombinované techniky je pak imaging vzorků (a příslušná spektra) a také souběžně LTEM obraz THz vln generovaných vzorkem. Při použití excitace 410 nm zde tedy generujeme terahertzové pulzy přímo z použitého vzorku křemíku (bulk single-crystal), přičemž tento typ vzorku obvykle nemá zajímavou emisi THz záření při excitaci v oblasti NIR (blízká infračervená oblast). Použitý vzorek křemíku byl před měřením podroben iontové implantaci bóru s následnou tepelnou úpravou (annealingem) příměsi v oblasti implantace, vzorek tedy po úpravě obsahuje dvě oblasti velmi rozdílných hustot dopingu, s relativně ostrou hranicí mezi nimi. Neimplantovaná oblast je jednoduše nemodifikovaný Si substrát, který je jen lehce n-dopovaný (koncentrace cca 1016 cm-3), zatímco bórem implantovaná oblast je p-dopovaná, s vyšší nominální hustotou dotování (asi 1018 cm-3). Následující Obrázek 3 popisuje jeden z mnoha výstupů z tohoto experimentu.
Obrázek 3:
- a) 2D THz s-SNOM image v okolí hranice substrát/implantát
b) LTEM image v okolí hranice substrát/implantát
c) Průměrný liniový profil THz s-SNOM (a).
d) Průměrný liniový profil LTEM (b)
Poznámka: Šedě stínované oblasti označují hraniční oblast, kde je významná topografie