De continue vooruitgang in de halfgeleiderindustrie, waarbij steeds kleinere en complexere structuren worden ontwikkeld, heeft de behoefte aan meer geavanceerde meet- en beeldvormingstechnieken aangewakkerd. Een van de veelbelovende technologieën die deze behoefte kan vervullen, is terahertz (THz)-nanoscopie. THz-metrologie biedt unieke voordelen voor de halfgeleiderindustrie vanwege de mogelijkheid om niet-destructieve, subsurface beelden te maken met behulp van elektromagnetische golven in het terahertz-bereik.

THz-technieken bieden de potentie om de resolutie van halfgeleidermetingen te verbeteren, een cruciaal aspect in de fabricage van steeds kleinere transistoren en andere componenten. Terwijl traditionele meetmethoden zoals elektronmicroscopie en röntgenanalyse nog steeds waardevol zijn, kunnen THz-technieken verdere inzichten bieden door in te spelen op de steeds kleinere afmetingen van de technologie nodes die nu in gebruik zijn, zoals de 3 nm-node voor transistors.

De metrologie van halfgeleiders omvat de dimensie-, compositie- en elektrische metingen van materialen en componenten. Dit is essentieel voor de ontwikkeling van fabricageprocessen en kwaliteitsborging in verschillende stadia van de productie, van materiaalvoorbereiding tot verpakking van chips. De vooruitgang in de technologie heeft echter geleid tot de noodzaak om nieuwe meettechnieken te ontwikkelen die kunnen omgaan met kleinere structuren, niet-planariteit en de integratie van verschillende materialen in 2.5D/3D-architecturen.

THz-gebaseerde technieken voor metrologie

Een van de belangrijkste voordelen van THz-technologie is dat het in staat is om de eigenschappen van halfgeleiders niet-destructief te meten. De diëlektrische eigenschappen van halfgeleiders worden bepaald door de dragerconcentratie en mobiliteit, wat op zijn beurt de interactie van THz-straling met het materiaal beïnvloedt. Aangezien THz-straling gemakkelijk kan doordringen in diëlektrische materialen, biedt het een waardevolle oplossing voor niet-destructieve testen (NDT) in de halfgeleiderindustrie. Dit maakt THz-gebaseerde metrologie geschikt voor gebruik in high-volume manufacturing (HVM), waar snelle en efficiënte inspecties van cruciaal belang zijn.

THz-gebaseerde technieken worden momenteel al gebruikt in verschillende industrieën, waaronder de bouw-, energie- en automotive-industrie. De toepassing in de halfgeleiderindustrie is echter bijzonder belangrijk, aangezien het in staat is om geavanceerde metingen van diepe interfaces in complexe halfgeleiderstructuren te bieden. Deze interfaces zijn van cruciaal belang voor de prestaties van het eindproduct, vooral wanneer de technologie nodes kleiner worden en 3D-architecturen prevaleren.

Verbetering van de ruimtelijke resolutie

Hoewel THz-technologie al in staat is om beelden te maken met een resolutie van enkele tientallen micrometers, is er nog steeds ruimte voor verbetering, vooral bij het meten van individuele transistoren in geavanceerde technologieën. De meest geavanceerde transistoren die momenteel in massaproductie zijn, gebruiken een 3-nm-technologie, waarbij de afmetingen van de transistoren steeds dichter bij de grens van wat THz-metrologie kan vastleggen komen.

Om de resolutie te verbeteren, worden er technieken ontwikkeld die de diffractiegrens van THz-straling kunnen overwinnen. Nanoschaal-antennetechnieken spelen hierbij een belangrijke rol. Door gebruik te maken van nano-antennes kunnen THz-signalen worden versterkt en gelokaliseerd, wat leidt tot een hogere resolutie van de beelden. Deze techniek heeft al toepassingen gevonden in verschillende vakgebieden, zoals de gecondenseerde materiefysica, biologie en metrologie, en zal naar verwachting een cruciale rol spelen in de verdere vooruitgang van THz-nanoscopie.

THz-nanoscopie en de toekomst van metrologie

De vooruitgang in THz-nanoscopie biedt dus aanzienlijke voordelen voor de halfgeleiderindustrie. Niet alleen kan het worden gebruikt voor niet-destructieve testen van materialen en componenten, maar het biedt ook de mogelijkheid om de ruimtelijke resolutie te verbeteren, wat essentieel is voor de fabricage van de kleinste en meest complexe transistoren. THz-nanoscopie maakt het mogelijk om diepere inzichten te verkrijgen in de interne structuren van halfgeleiders, zonder dat deze fysiek worden beschadigd, wat cruciaal is voor de continue miniaturisatie en integratie van geavanceerde technologieën.

Het gebruik van THz-technologie zal naar verwachting alleen maar toenemen naarmate de eisen van de halfgeleiderindustrie blijven groeien. Terwijl de industrie zich richt op steeds kleinere nodes en meer geavanceerde architecturen, zullen THz-gebaseerde technieken onmiskenbaar een sleutelrol blijven spelen in de kwaliteitsborging en procesontwikkeling. Het blijft echter essentieel om de technieken verder te verfijnen en aan te passen aan de uitdagingen die gepaard gaan met de snel veranderende technologie.

Hoe metasurfaces en terahertzpulsen bijdragen aan de studie van spin-systemen en hun niet-lineariteit

In de wereld van spintronica en beeldvorming biedt de verkenning van extreme niet-lineariteit in spinsystemen fundamenteel inzicht in systemen die verder gaan dan eenvoudige lineaire benaderingen. Het toepassen van terahertz (THz) pulsen in combinatie met metasurfaces speelt een cruciale rol in het verbeteren van de magnetische vectorcomponent van licht, wat de mogelijkheid biedt om nieuwe dynamieken van spin te onderzoeken.

HoFeO3, een bekend antiferromagnetisch materiaal, bezit een intrinsieke quasi-antiferromagnetische modus bij een frequentie van 0,58 THz. Dit materiaal kan intensief worden beïnvloed door een metasurface die op de bovenkant van een enkel kristal van HoFeO3 wordt geplaatst. In de beschreven opzet wordt een spiraalvormige gouden metasurface gebruikt om de magnetische veldcomponent van inkomende THz-pulsen te versterken. Deze versterkte magnetische velden sluiten aan bij de antiferromagnetische resonantie van het materiaal, wat resulteert in sterke spinprecessies en een grote verandering in de spinmagnetisatie.

De metingen van de verandering in Faraday ellipticiteit laten een opmerkelijke asymmetrische magnetisatie zien, wat duidt op een significant effect van de versterkte magnetische nabijvelden. De auteurs van de studie ontdekten dat de z-component van de magnetisatieverandering, ΔM, in de zwakke excitatieregimes lineair afhankelijk is van de sterkte van het aangestuurde veld. In het geval van een sterk magnetisch veld komt echter een andere dynamiek naar voren, die resulteert in een asimmetrische oscillatie van de magnetisatie. Dit is te zien in de hoge harmonische intensiteiten die de aanwezigheid van een grote magnetisatieamplitude ver van het evenwicht aantonen.

In een andere benadering wordt de rol van metasurfaces benadrukt in de omvorming van elektromagnetische velden in directe stromen, oftewel rectificatie. Het ontwikkelen van tunneling rectifiers op basis van metasurfaces biedt een krachtige methode voor het beheren van THz-pulsen en de daarmee verbonden elektrische velden. Deze rectificatieprocessen zijn van groot belang voor energieoogstsystemen en voor ultrafast science, waar een snelle respons en non-lineariteit essentieel zijn voor de dynamiek van de systemen.

Door gebruik te maken van metasurfaces bestaande uit ringvormige tunnelingbarrières, wordt de oppervlakte van een metaalfilm bestuurd door inkomende THz-pulsen. De oppervlaktestromen die door deze structuren worden gedreven, stuiten op subwavelength gaps in de film, wat een elektrische potentiaal over deze gaps aanlegt. De interactie van deze velden met optische pulsen maakt het mogelijk om ultrafast elektrische potentiaalkaartjes te verkrijgen, wat nieuwe inzichten biedt in de nanoscopische eigenschappen van de THz-velden.

Dit soort metingen, waarbij optische pulsen worden gebruikt om de elektrische potentiaal op een metasurface te visualiseren, kan een belangrijke bijdrage leveren aan de nauwkeurigheid van de THz-nanoscopie. Dit biedt niet alleen een beter begrip van de dynamiek van spin-systemen, maar ook van de manier waarop velden kunnen worden gemanipuleerd en gemeten op extreem korte tijdschalen.

Er is een breed scala aan toepassingen voor deze technologieën, van de verbetering van materialen voor de spintronica tot de ontwikkeling van geavanceerde sensoren voor semiconductormetrologie. Het potentieel van THz-nanoscopie om de subsurface structuren van materialen te onderzoeken, zonder ze te beschadigen, opent de deur naar nieuwe vormen van analyse en meting die voorheen niet mogelijk waren.

Het is belangrijk te benadrukken dat de dynamica van spin en magnetisatie niet alleen afhankelijk is van de sterkte van de aangestuurde velden, maar ook van de geometrie van de metasurfaces en de mate van niet-lineariteit in de systemen. De integratie van optische en THz-pulsen maakt het mogelijk om zowel de magnetische als elektrische eigenschappen van een systeem op uiterst korte tijdschaal te meten, wat een diepgaandere kijk biedt op de fundamentele processen die plaatsvinden op de grens van quantummechanica en klassiek fysica.

Hoe AuNP-dimers de detectie van DNA verbeteren: van fysische eigenschappen tot toepassingen in diagnostiek

De grootteverdeling van AuNP-dimers (gouden nanopartikeldimers) vertoont interessante kenmerken die cruciaal zijn voor hun toepassing in de moleculaire detectie. De translatie-diffusie van de dimeren heeft een signaal rond de 64 nm, wat overeenkomt met de diameter van een "sferische" deeltje dat gelijkwaardig is aan de "dumbbell" (knuppel) dimer in termen van diffusiemogelijkheden. De grootteverdelingen voor de alkylketenlengtes van R5 tot R15 vertonen opmerkelijke gelijkenis, wat wijst op de uniforme structuur van de dimeren. Het signaal rond de 9 nm komt voort uit de roterende diffusie van de dimeren. Gezien de uitgesproken optische anisotropie tussen de longitudinale en transversale modi van de dimers, veroorzaakt de roterende beweging aanzienlijke fluctuaties in het verstrooide licht en een correlatiepiek die overeenkomt met de roterende diffusietijd.

De optische anisotropie en de resulterende signaalintensiteit worden versterkt naarmate de interdeeltjesafstand afneemt, wat overeenkomt met een grotere rode verschuiving van de longitudinale mode bij verkorte afstanden. In vervolgexperimenten werd de vorming van multimeren onderzocht met AuNP's van verschillende diameters (20, 30, 50, 60 en 80 nm) gemodificeerd met R5, R7, R10 en R15. De NaCl-concentratie in de gemodificeerde en bindbuffers werd geoptimaliseerd, afhankelijk van de grootte van de AuNP's, om de efficiëntie van dimeren te maximaliseren en ongewenste aggregatie van AuNP's te voorkomen.

Elektroforetische scheiding en spectrometrische metingen van de extinctie van deze dimers toonden aan dat de multimeren uniforme structuren vertoonden, met een duidelijke verandering in de kleurrespons en de verschuiving van de dimere piek bij variërende alkylketenlengtes. Het bleek dat de mate van rode verschuiving van de longitudinale mode afnam naarmate de grootte van de AuNP's kleiner werd. Dit is te wijten aan het feit dat de rode verschuiving sterk afhankelijk is van de relatieve afstand van de AuNP's, namelijk de verhouding tussen de interdeeltjesafstand en de diameter van de AuNP.

FDTD-simulaties (finite-difference time-domain) bevestigden deze bevindingen voor de 20 nm tot 80 nm AuNP-dimers, waarbij simulaties van de absorptiespectra werden uitgevoerd voor verschillende interdeeltjesafstanden, variërend van 1,0 tot 3,0 nm. Het werd duidelijk dat het gedrag van de dimeren niet alleen afhangt van de grootte van de partikels, maar ook van de interacties tussen de alkylketens die de deeltjes omhullen.

Er zijn twee mogelijke mechanismen die de vorming van multimeren kunnen verklaren, gebaseerd op de interacties tussen COOH-alkanethiolen. De eerste is waterstofbruggen tussen de COOH-einden, wat resulteert in de vorming van een bilayer. De tweede mogelijkheid is de van-der-Waals-interactie tussen de alkylketens, waarbij de ketens in elkaar grijpen. TEM-beelden (transmissie-elektronenmicroscopie) suggereren dat de laatste optie waarschijnlijker is, aangezien de interdeeltjesafstand eerder overeenkomt met de lengte van een enkele COOH-alkanethiol.

Verder werd een micro-Raman-spectroscopie-experiment uitgevoerd om de bindingseigenschappen van de dimeren te bestuderen. De SERS (Surface Enhanced Raman Scattering) metingen toonden aan dat de sterkte van het Raman-signaal toeneemt naarmate de interdeeltjesafstand kleiner wordt. Bij de kortste interdeeltjesafstand (R5) werd het sterkste Raman-signaal waargenomen, wat wijst op een directe interactie tussen de COOH-alkanethiolen en de gouden oppervlakken van de nanopartikels. Dit suggereert dat de dimeren niet volledig gevuld zijn met alkanethiolmoleculen, waardoor analytemoleculen in de ruimte tussen de deeltjes kunnen worden gevangen, wat een toepassing mogelijk maakt voor detectie op enkel-molecuulniveau.

Deze resultaten leggen de basis voor een eenvoudig en snel platform voor DNA-kwantificatie, waarbij de hybride-efficiëntie van AuNP-dimeren optimaal wordt beheerd door het zorgvuldig selecteren van probe-DNA-moleculen en complementaire target-DNA-moleculen. Het vermogen om een detectielimiet van 1 pM te bereiken voor doel-DNA's benadrukt de praktische toepassing van deze technologie in moleculaire diagnostiek.

Een belangrijke aanvulling op dit werk is de effectiviteit van de AuNP-modificatie voor het verbeteren van de hybride-efficiëntie. Door de oppervlaktehydrofobiciteit van de AuNP's te optimaliseren, kan de uitbreiding van enkelstrengs-DNA (ssDNA) worden bevorderd, wat de hybride-efficiëntie vergroot. Het toevoegen van oligoethyleenglycol in de alkanethiolketen voorkomt daarnaast onspecifieke bindingen die kunnen ontstaan door verstrengeling van de alkaanketens, wat de betrouwbaarheid van het assay verhoogt. Het blokkeren van onspecifieke bindingen door de toevoeging van COOH-groepen zorgt voor een hoge hybride-efficiëntie, wat essentieel is voor nauwkeurige en betrouwbare DNA-detectie.

Met deze innovaties kan het gebruik van AuNP-dimeren in de klinische moleculaire diagnostiek verder worden uitgebreid, waarbij snelle en gevoelige DNA-assays mogelijk worden. De controle over de interdeeltjesafstand en het gebruik van optische technieken zoals SERS bieden veelbelovende vooruitzichten voor de ontwikkeling van sensoren op nanometerschaal.

Wat is de rol van 2DES in de studie van squaraine moleculen en hun toepassingen in organische halfgeleiders?

De afgelopen drie jaar zijn er aanzienlijke vooruitgangen geboekt op het gebied van twee-dimensionale elektronische spectroscopie (2DES), zoals gerapporteerd in dit hoofdstuk, waarin ultrafast pump-probe technieken en 2DES worden gebruikt om de elektronische eigenschappen van quadrupolaire squaraine moleculen in oplossing te onderzoeken. Specifiek wordt het gebruik van deze technieken toegepast op squaraine moleculen en hun dunne filmaggregaten. Deze moleculen vormen een uitstekende case study voor het begrijpen van elektronische koppelingen en elektronen delokalisatie binnen de moleculen, wat essentieel is voor het onderdrukken van de vibronische koppeling met de alomtegenwoordige, hoge-frequentie koolstofruggengraatmodi.

De spectroscopische resultaten dienen niet alleen als belangrijk referentiepunt voor de kwantum-chemische modellering van dergelijke vibronische koppelingen, maar ook voor de resulterende coherente kwantumdynamica. De informatie verkregen uit deze experimenten heeft niet alleen de mogelijkheid om de fundamentele natuur van excitonisch gedrag in oplossing te onthullen, maar wordt ook toegepast op het onderzoeken van fysische eigenschappen van J-geaggregeerde squaraine dunne films. De twee-kwantum 2DES-techniek maakt het mogelijk om de blueshift van twee-exciton toestanden in de onderzochte dunne films te kwantificeren, wat de oorsprong is van de optische niet-lineariteit van dergelijke geaggregeerde films.

Bij het bestuderen van de 2DES-kaarten van J-geaggregeerde squaraine moleculen op een goudsubstraat, wordt het uitgesproken effect van nabije-veld koppelingen tussen de J-aggregaat-exciton en oppervlakte-plasmonpolaritons aan het goud/dunne filminterface onthuld. Dit beïnvloedt de delokalisatie van de exciton golffunctie en resulteert in smalle exciton-lijnvormen, wat squaraine-gebaseerde J-aggregaten interessante kandidaten maakt voor het verkennen van sterke exciton-plasmon koppelingen. Een eerste hoekresolutie 2DES-studie van een hybride structuur, bestaande uit een goudnanoslit-raster bedekt met een dunne laag J-aggregaat, toont bewijs voor polariton-vorming en onthult uitgesproken oscillaties van 2DES-diagonaal- en kruis-pieken tijdens de coherentie tijd van de polariton-excitatie.

De meeste van deze oscillaties worden veroorzaakt door langafstand en coherente excitontransport over verschillende regio’s van het monster, aangedreven door het plasmonveld. Deze experimenten zijn mogelijk gemaakt door verschillende technologische vooruitgangen in 2DES. De tijdresolutie van de 2DES-experimenten is verbeterd tot minder dan 10 femtoseconden door het gebruik van zelfgebouwde, niet-collineaire optische parametrische versterkers met hoge herhalingsfrequentie. Deze resolutie is korter dan de elektronische en vibronische coherentie tijd van het onderzochte materiaal, zelfs bij kamertemperatuur, en maakt het mogelijk om vibraties en hun koppelingen met elektronische excitatie in de tijdsdomein te monitoren.

Daarnaast zijn er aanzienlijke vooruitgangen geboekt op het gebied van spectrale bandbreedte, lasersystemen en detectie, die de signaal-ruisverhouding verbeteren en de tijd voor gegevensverwerving verkorten. Het gebruik van fase-stabiele interferometers en geavanceerde fase-cycling technieken maakt het mogelijk om specifieke kwantumpadwaarnemingen te isoleren, wat van cruciaal belang is voor het onderzoeken van coherente koppelingen en vele-interacties in kwantummaterialen.

Ondanks de beperkte ruimtelijke resolutie die momenteel wordt gebruikt bij deze experimenten, wordt er gewerkt aan de implementatie van fase-cycling in TWINS-interferometers, wat de weg opent naar 2DES-microscopie met hoge ruimtelijke resolutie en 2DES-studies van enkele nanostructuren. Bovendien zou de aanpassing van recente vooruitgangen in lichtveld-synthese van cruciaal belang kunnen zijn voor verdere verbeteringen in tijdresolutie bij 2DES. Het combineren van ab-initio kwantumsimulaties met multidimensionale coherente spectroscopie zou een bijzonder vruchtbare en lonende weg kunnen zijn om ons huidige begrip van energie- en ladingsoverdrachtsprocessen in nanostructuren te verbeteren.

Het is belangrijk voor de lezer te begrijpen dat de spectroscopische technieken die in deze studies worden toegepast, een revolutionaire stap voorwaarts betekenen in het ontrafelen van de dynamica van moleculaire systemen, in het bijzonder in de context van organische halfgeleiders. De complexe interacties tussen excitons, elektronen en moleculaire structuren kunnen nu op een veel gedetailleerder niveau worden bestudeerd, waardoor de ontwikkeling van nieuwe materialen voor toepassingen in zonnecellen, lichtgevende diodes, en andere opto-elektronische technologieën sneller kan worden gerealiseerd.

Waarom Multilaterale Betrokkenheid in Azië van Belang is voor de Verenigde Staten
Hoe kun je een dataset omvormen van breed naar lang en vervolgens weer naar breed met behulp van R?
Wat is de rol van kunstmatige intelligentie in de geneeskunde en psychische gezondheidszorg?