深紫外雷射重大突破：徹底改變鑽石科技的未來

研究人員打造出一臺深紫外線顯微鏡，用以研究像鑽石這類難以分析的材料，為在奈米尺度下探究它們的電子和熱性質提供了全新途徑。所謂的「奈米尺度」，指的是以奈米（nm）為單位測量的尺寸，一奈米相當於十億分之一公尺。這個尺度涵蓋了大約1到100奈米的大小範圍，在這個範圍內，材料會呈現出一些在塊材中不存在的獨特物理、化學和生物特性。在奈米尺度下，材料會展現出諸如量子效應以及表面積與體積比增加等現象，這些特性會顯著改變材料的光學、電學和磁學行為。正是這些特性，使得奈米尺度材料在電子學、醫學和材料科學等眾多領域都具有極高的價值。

這項由業界挑戰引發的創新成果，利用高能量雷射光創造出奈米尺度的熱圖案，揭示了對於先進電子學至關重要的傳輸行為。像鑽石這樣的超寬能隙半導體，正為下一代電子學鋪平道路。與矽等傳統材料相比，它們價帶和導帶之間更寬的能隙，使其能夠承受更高的電壓、以更快的速度運作，並且達到更高的效率。然而，研究電荷和熱在這些材料中從奈米到微米的極小尺度下如何移動，一直是個難題。材料研究中常用的可見光在這方面就力有未逮，因為它無法有效地探究奈米尺度的特性。此外，由於鑽石不吸收可見光，所以也無法用可見光來產生電流或快速加熱。

為了克服這些挑戰，由美國科羅拉多大學物理學教授瑪格麗特・莫南（Margaret Murnane）和亨利・卡普坦（Henry Kapteyn）領導的JILA研究團隊，研發出一款具有突破性的顯微鏡，使得在前所未有的尺度下研究超寬能隙材料成為可能。該研究團隊成員包括研究生艾瑪・尼爾森（Emma Nelson）、西奧多・卡爾曼（Theodore Culman）、布倫丹・麥本尼特（Brendan McBennett），以及前博士後研究員艾伯特・比亞多（Albert Beardo）和喬舒亞・克諾布洛赫（Joshua Knobloch），他們最近在《物理評論應用》（Physical Review Applied）上發表了研究成果。他們創新的桌上型深紫外線（DUV）雷射顯微鏡，能夠激發和分析像鑽石等材料中的奈米尺度傳輸過程。

這款顯微鏡的工作原理是，利用高能量的DUV雷射光在材料表面產生奈米尺度的干涉圖案。這個圖案以可控的、週期性的方式加熱材料，使研究人員得以監測熱量隨時間的消散情況。這些觀測結果為研究材料的電子、熱和機械性質提供了至關重要的線索，其空間解析度高達287奈米，遠遠超越了可見光所能達到的程度。

莫南表示，這種全新的探測能力，對於未來基於鑽石或氮化物而非矽的功率電子學、高頻通訊和計算裝置至關重要。只有瞭解材料的行為，科學家們才能解決許多採用超寬能隙材料的奈米裝置壽命短的問題。

對尼爾森和其他JILA研究人員而言，這個專案源於他們的業界合作夥伴3M公司的材料科學家提出的一個意外挑戰。尼爾森說：「3M公司找我們研究一個超寬材料樣品，但它與我們現有的顯微鏡不相容。」隨後，該團隊與3M公司的科學家馬修・弗雷（Matthew Frey）和馬修・阿特金森（Matthew Atkinson）合作，打造出一臺能夠對這種材料中的傳輸現象進行成像的顯微鏡。

傳統的成像方法依賴可見光來觀察半導體和其他材料的微觀結構和傳輸行為，這在研究能隙較小的材料時頗有成效。然而，像鑽石這種常用於電子元件的材料，其價帶和導帶之間的能隙要大得多，通常超過4電子伏特（eV），這使得它們對能量較低的可見光和紅外光透明。要與這些材料中的電子相互作用並激發它們，需要紫外線（UV）範圍或更高能量的光子。此外，可見光裝置在空間解析度方面也存在不足，因其較長的波長限制了對與現代裝置相關的奈米尺度維度的探究能力。

這些限制促使該團隊在成像裝置方面另闢蹊徑。尼爾森說：「我們集思廣益，設計了一個新的實驗，以擴大我們實驗室的研究範圍。」最終，經過多年努力，他們研發出一款緊湊型顯微鏡，該顯微鏡利用DUV光在不改變材料本身的情況下，在材料表面產生奈米尺度的熱圖案。

為了產生DUV光，研究團隊首先使用一臺發射波長為800奈米脈衝的雷射器。然後，透過使雷射光穿過非線性晶體並操控其能量，逐步將其轉換為越來越短的波長，最終產生出波長約為200奈米的強力深紫外光源。每一步都需要在晶體內精確地在空間和時間上對雷射脈衝進行對準，以高效地獲得所需波長。

尼爾森在描述透過三個連續晶體對光進行對準的反覆嘗試過程時說：「在疫情期間，我們花了幾年時間才使實驗得以成功執行。但一旦搭建好裝置，我們就能在桌面上創造出前所未有的尺度圖案。」

為了產生稱為瞬態光柵的週期性圖案，研究人員使用衍射光柵將DUV光分成兩束相同的光束。這些光束以略微不同的角度照射到材料表面，在那裡它們相互重疊和干涉，形成一個精確的高能量和低能量交替的正弦圖案。這個干涉圖案就像一個奈米尺度的光柵，以可控的方式臨時加熱材料，並產生區域性能量變化。

這個過程使研究團隊能夠研究熱、電子或機械波（取決於材料）如何在奈米尺度的光柵上傳播和相互作用。光柵的週期性（即這些高能量峰值之間的距離）與光源的波長密切相關，研究人員可以透過使用更高能量（波長更短）的光獲得更短的週期。透過調整光束的角度可以調諧週期性，從而在微觀尺度上對傳輸現象進行詳細研究。例如，在這個實驗中，研究團隊實現了精細至287奈米的光柵圖案，這在桌上型雷射裝置中創下了紀錄。

DUV瞬態光柵系統投入執行後，研究團隊著手驗證其準確性並探索其功能。他們的第一個測試物件是薄金屬膜，由於其性質已被充分了解，因此被用作基準材料。研究人員使用他們的系統在金屬膜表面產生奈米尺度的熱圖案，並發射出聲波。透過分析這些波的頻率和行為，他們提取了材料的密度和彈性等特性。

為了驗證結果，尼爾森開發了計算機模型，模擬金屬膜在類似條件下的行為。實驗資料與她的預測高度吻合，有力地證明瞭該系統的精密度。尼爾森說：「看到實驗成功執行，並且與我們建立的模型相符，這讓人鬆了一口氣，也是一個令人興奮的里程碑。」

接下來，研究團隊使用新的DUV顯微鏡觀察鑽石，鑽石因其卓越的電子和熱性質備受矚目。以往研究鑽石的技術常常需要對其進行物理改造，例如新增奈米結構或塗層，而這會在不知不覺中改變其性質。DUV系統則消除了這一需求，使研究團隊能夠研究處於原始狀態的鑽石。

利用新的裝置，研究人員觀察了在DUV光激發後，載流子（電子和電洞）如何在鑽石中擴散。這個過程為鑽石的奈米尺度傳輸動力學，尤其是在奈米尺度上，帶來了全新的見解。

除了驗證系統和探索鑽石的性質外，研究團隊的發現還為更廣泛的奈米尺度熱傳輸問題提供了線索。在如此小的尺度下，熱的行為並不總是符合傳統物理模型的預測，傳統模型假設熱是平滑、連續流動的。相反，奈米尺度的傳輸可能涉及彈道和流體動力學效應，在這種情況下，像聲子這樣的能量載體可以沿直線傳播而不發生散射，或者像水流經管道一樣擴散。

隨著研究人員不斷完善這些技術並探索新材料，這一進展可能在高效能功率電子學、高效通訊系統和量子技術的發展中發揮至關重要的作用。在推動現代裝置極限的征程中，鑽石可能不會永遠存在，但它們對奈米科學的影響肯定會持續下去。

參考文獻：Emma E. Nelson、Brendan McBennett、Theodore H. Culman、Albert Beardo、Henry C. Kapteyn、Matthew H. Frey、Matthew R. Atkinson、Margaret M. Murnane和Joshua L. Knobloch所著的《用於超寬能隙材料中超快奈米尺度載流子傳輸測量的桌上型深紫外線瞬態光柵》，發表於2024年11月4日的《物理評論應用》。DOI：10.1103/PhysRevApplied.22.054007

本研究由STROBE科技中心和3M公司資助。