צוות מחקר גרמני־ישראלי הדגים שיטה לא הרסנית לבדיקת סרטים דקים מבוססי MXene במהלך ייצור רכיבים זעירים. השיטה, אליפסומטריית הדמיה, מאפשרת למפות את עובי הסרט, את אחידותו ואת תכונותיו החשמליות בלי לגעת ברכיב ובלי לפגוע בו. המחקר פורסם בכתב העת Applied Physics Letters ונבחר כ־Editor’s Pick.

MXenes הם חומרים דו־ממדיים שיכולים לשמש אבני בניין לרכיבים אלקטרוניים ופוטוניים בקנה מידה מיקרוסקופי. באוניברסיטת תל אביב נחקרים סרטים דקים ומובנים של MXene כאלקטרודות אחוריות בגלאי אור מהדור הבא. ברכיבים כאלה, אפילו שינוי קטן בעובי או באחידות הסרט עלול להשפיע על ביצועי המכשיר, ולכן נדרשת שיטת מדידה רגישה שאינה פוגעת ברכיב.

לראות גם את המבנה וגם את התפקוד

אליפסומטריה מבוססת על מדידת שינויי הקיטוב של אור המוחזר מפני הדגימה. מהשינויים האלה אפשר להסיק נתונים כמותיים על הסרט הדק, ובהם עובי, הרכב ותכונות הקשורות להעברת מטען. במקרה של סרטים דקים מאוד, השיטה רגישה גם להבדלים מקומיים קטנים בין אזורים שונים של הרכיב.

ייחודה של הגישה שהודגמה במחקר הוא בכך שהיא אינה רק “מצלמת” את המבנה. היא מאפשרת לקבל מידע על תפקוד החומר והרכיב בזמן תהליך הייצור. בכך היא יכולה לשמש כלי לבקרת איכות, לאיתור בעיות מקומיות ולשיפור תהליכים ליתוגרפיים המשמשים ליצירת מבנים זעירים.

שילוב בין מדידה נקודתית למיפוי מלא

החוקרים השתמשו בשתי גישות משלימות. הראשונה היא מיקרו־אליפסומטריה ספקטרוסקופית, הזמינה באוניברסיטה העברית בירושלים. גישה זו מאפשרת מדידות נקודתיות ברזולוציה גבוהה, ולכן מתאימה לבדיקות מהירות של אזורים מוגדרים ברכיב ולמעקב אחר איכות הדגימות במהלך הייצור.

הגישה השנייה היא אליפסומטריית הדמיה ספקטרוסקופית, שבוצעה במרכז הלמהולץ ברלין. מערכת זו מאפשרת מיפוי מרחבי של רכיבים שלמים, ובשילוב אופטיקה ייחודית מגיעה לרזולוציה צדית של עד מיקרון אחד. כך אפשר לחבר בין תמונה בקנה מידה של מילימטרים לבין פרטים מקומיים בקנה מידה מיקרוני.

במחקר הודגמו מפות של מבני “מסרק” קיבוליים המבוססים על MXene, ובהן נמדדו עובי הסרט ותכונות הקשורות להולכה. באחת הדוגמאות דווח על סרט בעובי ממוצע של 5.4 ננומטר בלבד, ובכל זאת ניתן היה לזהות שונות מקומית בתוך המבנה.

מעקב אחרי תהליך הייצור בזמן אמת

אחד היתרונות המרכזיים של השיטה הוא היכולת לעקוב אחר שינויים שמתרחשים במהלך שלבי עיבוד, למשל בפיתוח שכבת פוטורזיסט בתהליך ליתוגרפי. שינויים כאלה משפיעים על התגובה האופטית של החומר, ולכן אפשר לזהותם בלי לחבר אלקטרודות, בלי לגרד את הדגימה ובלי להרוס את הרכיב.

יכולת זו חשובה במיוחד ברכיבים מבוססי חומרים דו־ממדיים. בחומרים כאלה, שכבות דקות מאוד נושאות חלק גדול מהפונקציונליות של המכשיר. לכן בקרת איכות לא הרסנית יכולה לקצר תהליכי פיתוח, להפחית כשלים ולסייע בהעברת חומרים חדשים ממעבדה ליישומים.

החוקרים מציינים כי השיטה אינה מוגבלת ל־MXene בלבד. היא יכולה לשמש גם למדידת מגוון רחב של חומרים איזוטרופיים ואנאיזוטרופיים, ובכללם חומרים דו־ממדיים נוספים. לכן היא עשויה להיות רלוונטית לפיתוח רכיבים ננו־אלקטרוניים, פוטוניים וחיישנים עתידיים.

למאמר המדעי DOI: 10.1063/5.0314586

הפוסט שיטה אופטית חדשה מאפשרת לבדוק סרטי MXene דקים בלי לפגוע ברכיב הופיע לראשונה ב-Chiportal.