Terahertz spektroskopi går nano

Brown University-forskere har demonstreret en måde at bringe en kraftfuld form for spektroskopi - en teknik, der bruges til at studere en bred vifte af materialer - ind i nano-verdenen.

Laser terahertz emission mikroskopi (LTEM) er et spirende middel til at karakterisere solcellers ydeevne, integrerede kredsløb og andre systemer og materialer. Laserimpulser, der belyser et prøvemateriale, forårsager emission af terahertz-stråling, som indeholder vigtige oplysninger om prøvens elektriske egenskaber.

"Dette er et velkendt værktøj til at studere stort set ethvert materiale, der absorberer lys, men det har aldrig været muligt at bruge det på nanoskala, " sagde Daniel Mittleman, en professor ved Brown's School of Engineering og tilsvarende forfatter til et papir, der beskriver arbejdet. "Vores arbejde har forbedret opløsningen af ​​teknikken, så den kan bruges til at karakterisere individuelle nanostrukturer."

Typisk, LTEM-målinger udføres med opløsning på nogle få titus mikrometer, men denne nye teknik muliggør målinger ned til en opløsning på 20 nanometer, cirka 1, 000 gange den opløsning, der tidligere var mulig ved brug af traditionelle LTEM-teknikker.

Forskningen, offentliggjort i tidsskriftet ACS Fotonik , blev ledet af Pernille Klarskov, en postdoc-forsker i Mittlemans laboratorium, med Hyewon Kim og Vicki Colvin fra Browns Institut for Kemi.

For deres forskning, holdet tilpassede til terahertz-stråling en teknik, der allerede blev brugt til at forbedre opløsningen af ​​infrarøde mikroskoper. Teknikken bruger en metalstift, tilspidset til en skærpet spids kun et par snese nanometer på tværs, der svæver lige over en prøve, der skal afbildes. Når prøven er belyst, en lille del af lyset fanges direkte under spidsen, som muliggør billedopløsning omtrent lig med spidsens størrelse. Ved at flytte spidsen rundt, det er muligt at skabe billeder i ultrahøj opløsning af en hel prøve.

Klarskov var i stand til at vise, at den samme teknik kunne bruges til også at øge opløsningen af ​​terahertz-emission. Til deres studie, hun og hendes kolleger var i stand til at afbilde en individuel guld nanorod med 20 nanometer opløsning ved hjælp af terahertz-emission.

Forskerne mener, at deres nye teknik kan være bredt anvendelig til at karakterisere materialers elektriske egenskaber i hidtil usete detaljer.

"Terahertz-emission er blevet brugt til at studere mange forskellige materialer - halvledere, superledere, bredbånds isolatorer, integrerede kredsløb og andre, " sagde Mittleman. "At være i stand til at gøre dette ned til niveauet af individuelle nanostrukturer er en stor sag."

Et eksempel på et forskningsområde, der kunne drage fordel af teknikken, Mittleman siger, er karakteriseringen af ​​perovskit solceller, en spirende solteknologi, der er blevet grundigt studeret af Mittlemans kolleger hos Brown.

"Et af problemerne med perovskitter er, at de er lavet af multikrystallinske korn, og korngrænserne er det, der begrænser transporten af ​​ladning over en celle, " sagde Mittleman. "Med den beslutning, vi kan opnå, vi kan kortlægge hvert korn for at se, om forskellige arrangementer eller orienteringer har indflydelse på ladningsmobiliteten, som kunne hjælpe med at optimere cellerne."

Det er et eksempel på, hvor dette kunne være nyttigt, Mittleman sagde, men det er bestemt ikke begrænset til det.

"Dette kunne have ret brede anvendelser, " bemærkede han.