Австралийские учёные разработали новый метод визуализации трёхмерных объектов в реальном времени. Этот метод позволит исследователям следить за такими процессами, как рост полупроводниковых структур, по мере того, как они происходят.

Такие методы как атомно-силовая или сканирующая туннельная микроскопия позволяют учёным получать снимки трёхмерных объектов с великолепной детализацией. Однако, для таких измерений требуется слишком много времени, что не позволяет запечатлеть быстрые процессы – изображения получаются путём последовательных замеров высоты в каждой точке поверхности. Метод, названный фотоэмиссионной электронной микроскопией, решает эту проблему для двумерных снимков – в этом методе сразу большой участок поверхности образца освещается высокочастотным светом. В отличие от других методов, он позволяет получать «фильмы», запечатлевающие рост кристаллов, колебания капель или, например, изменения магнитных доменов. Однако до сих пор не удавалось сравнивать различные области по высоте.

Физики из Университета Монаша в Мельбурне (Австралия) использовали метод ФЭЭМ для исследования капель жидкого галлия на зеркально ровной поверхности арсенида галлия. При детальном рассмотрении они обнаружили яркие и тёмные полосы вдоль границ капель, что явилось для них неожиданностью.

В поисках объяснения этого эффекта исследователи вспомнили о таком оптическом явлении, как зеркало Ллойда – интерференция света, падающего на зеркало, с отражённым светом. В описанном выше опыте свет падает на поверхность под небольшим углом, и часть его, перед тем, как попасть на каплю галлия, отражается от поверхности подложки и интерферирует со светом, падающим прямо на каплю. Эта интерференция приводит к возникновению светлых и тёмных полос в тех областях, где высота капли меняется.

Тёмные и светлые полосы на двумерном изображении позволяют получать профили высоты капли (белая линия) и, путём их объединения, её поверхность.

Интерференционные полосы напоминают топографическую карту, контуры на которой обозначают различные значения высоты. С их помощью исследователи могли определять форму капель в трёх измерениях и, в принципе, наблюдать процессы слияния капель в более широкие и высокие структуры. Всё, что нужно, – это подсчитать количество полос. Интерференционные полосы наблюдались ранее и другими исследователями, однако до сих пор их считали скорее помехой, нежели каким-то полезным явлением.

Авторы работы проводили эксперименты в свете ультрафиолетовой лампы, что ограничивало вертикальное разрешение до не менее, чем нескольких сотен нанометров (порядка длины волны используемого света). В будущем учёные планируют улучшить точность метода при помощи использования более коротковолнового синхротронного излучения. В идеале метод должен позволить визуализировать процессы с временным масштабом до порядка сотни пикосекунд; это ограничение вызвано скоростью работы оборудования, оцифровывающего изображение.

Василий Артюхов