科羅拉多大學(xué)博爾德分校的研究人員利用超快的極紫外激光來測(cè)量比人類紅血球薄100多倍的材料的特性。

由JILA的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)本周在《Physical Review Materials》雜志上報(bào)告了其晶圓厚度的新壯舉。研究報(bào)告的共同作者Joshua Knobloch說，該小組的目標(biāo)，是一種厚度只有5納米的薄膜，是研究人員有史以來能夠完全探測(cè)的最薄的材料。"這是一項(xiàng)創(chuàng)紀(jì)錄的研究，看看我們能走多小，我們能有多準(zhǔn)確，"JILA的研究生Knobloch說，JILA是CU Boulder和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）之間的合作伙伴關(guān)系。

他補(bǔ)充說，當(dāng)事情變得很小的時(shí)候，工程的正常規(guī)則并不總是適用。例如，該小組發(fā)現(xiàn)，一些材料似乎變得越薄越軟。研究人員希望，他們的發(fā)現(xiàn)有朝一日可以幫助科學(xué)家更好地駕馭經(jīng)常無法預(yù)測(cè)的納米世界，設(shè)計(jì)出更微小、更高效的計(jì)算機(jī)電路、半導(dǎo)體和其他技術(shù)。

"如果你正在做納米工程，你不能只是把你的材料當(dāng)作普通的大材料，"論文的主要作者、JILA的前研究生Travis Frazer說。"因?yàn)樗苄〉氖聦?shí)使它的行為就像一種不同的材料。"

"這一令人驚訝的發(fā)現(xiàn)：非常薄的材料可以比預(yù)期的軟弱10倍，是新工具如何幫助我們更好地理解納米世界的又一個(gè)例子，"研究的共同作者、CU Boulder物理學(xué)教授和JILA研究員Margaret Murnane說。

這項(xiàng)研究是在許多技術(shù)公司正試圖做到小型化的時(shí)候進(jìn)行的。一些公司正在試驗(yàn)制造高效計(jì)算機(jī)芯片的方法，這種方法將薄薄的材料薄膜一層一層地疊加在一起，就像filo pastry一樣，但是在筆記本電腦里面。

為了幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他和他的同事們部署了極紫外激光器，或提供比傳統(tǒng)激光器波長(zhǎng)更短的輻射束，這些波長(zhǎng)與納米世界非常匹配。研究人員開發(fā)了一種設(shè)置，使他們能夠?qū)⑦@些光束從只有幾股DNA厚度的材料層上反彈，跟蹤這些薄膜的不同振動(dòng)方式。"如果你能測(cè)量你的材料擺動(dòng)的速度，那么你就能弄清楚它有多硬，"Frazer說。

這種方法還揭示了當(dāng)你把材料做得非常非常小的時(shí)候，材料的特性會(huì)發(fā)生多大的變化。

例如，在最近的研究中，研究人員探究了兩種由碳化硅制成的薄膜的相對(duì)強(qiáng)度：一種約46納米厚，另一種只有5納米厚。該團(tuán)隊(duì)的紫外線激光器帶來了令人驚訝的結(jié)果。較薄的薄膜比較厚的對(duì)應(yīng)物軟了約10倍，或者說剛度更低，這是研究人員沒有想到的。

Frazer解釋說，如果你把薄膜做得太薄，你就會(huì)切斷將材料固定在一起的原子鍵，有點(diǎn)像解開一條磨損的繩子。"薄膜頂部的原子在其下方有其他原子可以抓住，"Frazer說。"但在它們上面，原子沒有任何它們可以抓住的東西。"

但他補(bǔ)充說，并不是所有的材料都會(huì)有同樣的表現(xiàn)。研究小組還在第二種材料上重新進(jìn)行了同樣的實(shí)驗(yàn)，這種材料與第一種材料幾乎完全相同，但有一個(gè)很大的區(qū)別，這種材料中加入了更多的氫原子。這樣的 "摻雜 "過程會(huì)自然地破壞材料內(nèi)部的原子鍵，使其失去強(qiáng)度。

當(dāng)研究小組用激光測(cè)試第二種更薄的材料時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)了一些新的東西：這種材料在44納米厚的時(shí)候和11納米厚的時(shí)候一樣堅(jiān)固。換句話說，額外的氫原子已經(jīng)削弱了材料的強(qiáng)度，額外的收縮已經(jīng)不能再造成傷害了。

最后，該團(tuán)隊(duì)表示，其新的紫外線激光工具為科學(xué)家們提供了一個(gè)窗口，進(jìn)入了一個(gè)以前科學(xué)無法掌握的領(lǐng)域。"現(xiàn)在人們正在構(gòu)建非常非常小的設(shè)備，他們正在詢問像厚度或形狀這樣的屬性如何改變他們的材料的行為，"Knobloch說。"這給我們提供了一種獲取納米級(jí)技術(shù)信息的新方法。"

論文標(biāo)題為《Full characterization of ultrathin 5-nm low- k dielectric bilayers: Influence of dopants and surfaces on the mechanical properties》。