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La tecnica di nanosocopia terahertz (THz s-SNOM) è una delle più avanzate nel campo della metrologia dei semiconduttori. Grazie alla sua capacità di analizzare a risoluzione ultra-elevata e di acquisire dati multimodali, offre una visione nuova e potenzialmente rivoluzionaria nel controllo e nella verifica delle caratteristiche fisiche di dispositivi elettronici miniaturizzati. Tuttavia, per permettere l'adozione di questa tecnica nelle metrologie industriali, è necessario affrontare diverse sfide, tra cui il miglioramento della risoluzione spaziale e l'ottimizzazione dei tempi di ispezione.
Un aspetto cruciale per migliorare le prestazioni del THz s-SNOM è la progettazione dei sonde, che deve essere affinata per garantire una risoluzione spaziale superiore. In parallelo, è importante sviluppare tecniche che consentano un'analisi rapida dei campioni, ottimizzando l'intensità del segnale e riducendo il tempo necessario per acquisire le informazioni. Un passo avanti importante in questo processo è l'integrazione di metasuperfici a nanogap direttamente sui dispositivi semiconduttori in fase di ispezione. Questa soluzione permette di ottenere immagini ad alta risoluzione con una velocità di acquisizione decisamente maggiore. L'integrazione di membrane metasuperficiali sui chip semiconduttori rappresenta una frontiera promettente per l'industria, poiché non solo migliora la risoluzione ma riduce anche i tempi di ispezione.
Oltre all'innovazione delle tecniche di acquisizione, uno degli aspetti determinanti per l'adozione della nanosocopia THz nella metrologia dei semiconduttori è la riduzione dei costi. La produzione di nanogap e metasuperfici, sebbene prometta significativi miglioramenti nell'efficienza di emissione e rilevamento del THz, presenta difficoltà pratiche quando si tratta di produzione su larga scala. La fabbricazione di strutture con caratteristiche inferiori ai 100 nm non è adatta ai processi di produzione di massa, richiedendo invece l'adozione di metodi di produzione seriali e precisi, come la litografia a fascio di elettroni. Questi metodi, pur essendo costosi e più lenti rispetto alla produzione tradizionale, offrono una soluzione efficace per la realizzazione di componenti ad alta precisione per l’ispezione.
Nel contesto della metrologia dei semiconduttori, l'adozione di tecniche avanzate come la nanosocopia THz potrebbe essere una delle soluzioni chiave per monitorare con maggiore precisione e rapidità la qualità e le performance dei dispositivi. Tuttavia, è importante considerare che, al di là dei progressi tecnologici, la sfida della produzione economica e su larga scala rimane una questione centrale. L'integrazione di nuove tecniche nella produzione industriale richiede l'evoluzione simultanea dei processi di fabbricazione e l'adozione di tecnologie di rilevamento che possano compensare le limitazioni dei metodi tradizionali.
La comprensione di queste problematiche è fondamentale per gli sviluppatori e i ricercatori nel settore della metrologia avanzata. Oltre a concentrarsi sulle soluzioni tecnologiche, è essenziale che gli attori del settore prendano in considerazione le implicazioni economiche e operative che derivano dall'adozione di tecniche così avanzate. Sebbene le promesse di una risoluzione sempre maggiore e di ispezioni più rapide siano allettanti, il futuro della metrologia dei semiconduttori dipenderà dalla capacità di bilanciare innovazione e sostenibilità economica, trovando soluzioni che siano scalabili, economiche e facilmente integrabili nei flussi produttivi esistenti.
Qual è il ruolo della curvatura dei nanotubi di carbonio nelle proprietà ottiche e nella bistabilità?
L'analisi dei nanotubi di carbonio (CNT) e dei loro comportamenti ottici ha rivelato un'interessante dipendenza dalle proprietà molecolari adsorbite, in particolare riguardo alla loro curvatura e alle energie di eccitazione e di desorbimento. L'energia di eccitazione .E11, che diminuisce all'aumentare del diametro dei nanotubi, mostra una relazione diretta con i tempi di ritardo nell'assorbimento e nella desorbimento delle molecole adsorbite. In sostanza, nanotubi con una minore energia .E11 tendono ad avere tempi di ritardo più brevi, suggerendo che la formazione di strati stabili di molecole d'acqua sui nanotubi dipende fortemente dalla curvatura dei CNTs. Questo comportamento fa emergere un'importante interazione tra la geometria del nanotubo e le proprietà ottiche dei materiali, un aspetto che è alla base dei fenomeni di bistabilità ottica.
La bistabilità ottica indotta dall'adsorbimento e desorbimento delle molecole d'acqua costituisce uno dei fenomeni non lineari più interessanti osservati nei CNTs. A frequenze di eccitazione superiori a quelle dell'assorbimento caratteristico dei CNTs, è possibile osservare due diversi stati di emissione sotto le stesse condizioni di eccitazione. L'effetto di isteresi in questi sistemi è dovuto alla variazione della risonanza .E22, che si sposta in risposta a cambiamenti nel riscaldamento del laser. Il diverso comportamento tra i due stati è attribuito alla differente efficienza del riscaldamento laser nei due stati, che determina differenti poteri di soglia. La bistabilità ottica risulta quindi essere un utile fenomeno per dimostrare operazioni di commutazione reversibile e ripetibile, come evidenziato nei test con misurazioni temporali per determinare la velocità di riscrittura della memoria ottica dei nanotubi.
Nei nostri esperimenti, abbiamo sintetizzato CNT su chip di silicio con trincee prefabricate, come descritto nel capitolo precedente. La caratterizzazione della chirality dei nanotubi è stata effettuata mediante spettroscopia di emissione a luce a potenza (PLE), e sono stati selezionati i nanotubi più brillanti per le misurazioni sperimentali. Nelle misurazioni di spettro di fotoluminescenza (PL), sono stati osservati picchi di emissione che corrispondono alle energie .E11 ed .E22. Questi spettri sono stati confrontati con i dati tabulati e ci hanno permesso di assegnare la chirality del nanotubo al tipo (10,5), evidenziando la necessità di identificare correttamente la struttura dei nanotubi per ottenere risultati affidabili nei fenomeni ottici.
L'osservazione dell'isteresi nei nanotubi di carbonio è stata approfondita mediante misurazioni della dipendenza dello spettro PL dalla potenza di eccitazione. In particolare, durante l’aumento della potenza di eccitazione, si è registrata una brusca variazione dello spettro, attribuibile alla desorbimento molecolare indotto dal riscaldamento laser. Un comportamento simile è stato riscontrato anche durante la fase di discesa della potenza di eccitazione, ma a una potenza significativamente inferiore. Ciò ha confermato la presenza di isteresi ottica, una caratteristica che ha spinto ulteriormente la ricerca sul meccanismo che sottende questo fenomeno.
Analizzando il comportamento della spettroscopia a più frequenze di detuning, è stato osservato che la transizione tra gli stati adsorbito e desorbito può essere influenzata dal tipo di eccitazione e dalla posizione relativa della risonanza .E22. Nel caso di un piccolo detuning energetico, la desorbimento molecolare si verifica in modo graduale, portando a uno spostamento progressivo verso lunghezze d'onda più corte (blueshift). Questo comportamento è indicato come retroazione negativa, in quanto riduce l'efficienza di desorbimento man mano che la potenza di eccitazione aumenta. D'altra parte, nel caso di un detuning energetico maggiore, si manifesta una retroazione positiva, che accelera il processo di desorbimento molecolare, con un conseguente blueshift più repentino e un maggiore aumento di temperatura.
Le osservazioni sperimentali hanno confermato che la riscaldamento dei nanotubi durante la desorbimento molecolare è direttamente correlato all'ampiezza della larghezza della linea di emissione, la quale, a sua volta, è un indice della temperatura del nanotubo. Questi risultati sono essenziali per comprendere i meccanismi di riscaldamento e di transizione degli stati ottici in CNTs. Le variazioni osservate nello spettro PL suggeriscono anche che la curvatura del nanotubo influisce sulla facilità con cui le molecole si desorbono, rendendo i nanotubi più curvati potenzialmente più suscettibili a transizioni ottiche rapide.
Infine, uno degli aspetti fondamentali che emerge dalla ricerca è il ruolo cruciale che le proprietà superficiali e la geometria dei nanotubi svolgono nella loro risposta ottica. In particolare, la curvatura dei nanotubi determina non solo l'interazione con le molecole adsorbite ma anche la loro capacità di modulare il comportamento ottico in risposta a diverse condizioni di eccitazione. Questa scoperta apre a nuove possibilità di controllo delle proprietà ottiche dei nanotubi di carbonio, sia in applicazioni tecnologiche che in ambito di ricerca fondamentale, come nei dispositivi di memoria ottica e nei sensori avanzati.