New coating technique unlocks atom-scale imaging of insulators
Researchers have cracked a longstanding problem in materials science: imaging the atomic structure of non-conductive materials like glass using terahertz pulses. By adding thin layers of chromium or graphene, scientists achieved clearer, faster analysis—opening doors for quality control in semiconductors, ceramics, and advanced materials manufacturing.
Originaltitel: Chromium- and Monolayer Graphene-Based Coating for THz-Assisted Atom Probe Tomography of Sol-Gel Silica Specimens.
Atom probe-tomografi (APT) med terahertz-pulser möjliggör nu karakterisering av icke-ledande material som sol-gel-kiseloxid — tidigare en flaskhals för materialanalys. Forskare vid Université Rouen Normandie och Chalmers testade två beläggningsstrategier för att förbättra jonförångningen: kromsprutning och grafenömslutnin. Krombeläggningen aktiverade positiva THz-pulser och förbättrade massupplösningen, medan grafenen ytterligare skärpte spektraltoppen och reducerade termiska artefakter. 3D-rekonstruktioner bekräftade effektiv deposition och avslöjade artsortsegregering vid positiva THz-pulser. Resultaten visar att valda fältförhållanden är avgörande för jonbeteendet. För leverantörer av analysinstrument och materialforskningsgrupper öppnar detta vägen för högupplöst karakterisering av keramiska och oxididiska komponenter — kritiskt för halvledare-, förpacknings- och optoelektronikutveckling där gränsskiktskvalitet direkt påverkar prestanda.
Single-cycle terahertz (THz)-assisted atom probe tomography (APT) has emerged as a promising technique for triggering field evaporation under conditions that may reduce thermally activated contributions compared with conventional laser pulsing in conductive materials. While free carriers in metallic samples facilitate efficient THz near-field coupling at the specimen apex, nonmetallic materials like sol-gel silica lack this advantage, rendering positive THz pulses ineffective. However, negative THz pulses produce well-resolved mass spectra, which are compared with the mass spectra obtained with laser assisted APT( UV 343 nm and NIR 800 nm) to evaluate mass resolving power, signal-to-noise ratio and chemical composition. Moreover, we study the impact of the coating on the THz-APT results. Two metallization strategies are applied: (i) chromium (Cr) sputter coating via PECS and (ii) graphene encapsulation. Cr coating enables successful ion evaporation under positive THz pulses, improving mass resolution and reducing noise, while graphene encapsulation further enhances spectral clarity by sharpening peaks and reducing thermal tails. 3D reconstructions confirm effective deposition of both coatings over the tungsten-silica junction and reveal species segregation under positive THz pulses, highlighting the strong dependence of evaporation behavior on the applied field conditions.