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

由JILA的科學家領導的團隊本周在《Physical Review Materials》雜志上報告了其晶圓厚度的新壯舉。研究報告的共同作者Joshua Knobloch說，該小組的目標，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的最薄的材料。"這是一項創(chuàng)紀錄的研究，看看我們能走多小，我們能有多準確，"JILA的研究生Knobloch說，JILA是CU Boulder和國家標準與技術(shù)研究所（NIST）之間的合作伙伴關(guān)系。

他補充說，當事情變得很小的時候，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家更好地駕馭經(jīng)常無法預測的納米世界，設計出更微小、更高效的計算機電路、半導體和其他技術(shù)。

"如果你正在做納米工程，你不能只是把你的材料當作普通的大材料，"論文的主要作者、JILA的前研究生Travis Frazer說。"因為它很小的事實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例子，"研究的共同作者、CU Boulder物理學教授和JILA研究員Margaret Murnane說。

這項研究是在許多技術(shù)公司正試圖做到小型化的時候進行的。一些公司正在試驗制造高效計算機芯片的方法，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。

為了幫助實現(xiàn)這一目標，他和他的同事們部署了極紫外激光器，或提供比傳統(tǒng)激光器波長更短的輻射束，這些波長與納米世界非常匹配。研究人員開發(fā)了一種設置，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方式。"如果你能測量你的材料擺動的速度，那么你就能弄清楚它有多硬，"Frazer說。

這種方法還揭示了當你把材料做得非常非常小的時候，材料的特性會發(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強度：一種約46納米厚，另一種只有5納米厚。該團隊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應物軟了約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，你就會切斷將材料固定在一起的原子鍵，有點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。"

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

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

最后，該團隊表示，其新的紫外線激光工具為科學家們提供了一個窗口，進入了一個以前科學無法掌握的領域。"現(xiàn)在人們正在構(gòu)建非常非常小的設備，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技術(shù)信息的新方法。"

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