Ny teknik afslører 3D-form af nanostrukturer polariton-interaktion

Nanostrukturer er den hellige gral af nye materialer. Vidundermaterialet grafen, for eksempel, er et enkelt lag carbonatomer arrangeret i et sekskantet mønster, der, på grund af dets ledningsevne, fleksibilitet, gennemsigtighed og styrke, har potentiale til at skabe mere effektive solceller, mindre og hurtigere elektriske kredsløb og mikrochips, gennemsigtige displays, og kondensatorer og batterier med høj densitet.

Ifølge Xiaoji Xu, adjunkt i Institut for Kemi ved Lehigh University, en anden kvalitet, der gør nanomaterialer som grafen så speciel, er deres evne til at generere et fysikfænomen kaldet en polariton.

Polaritoner er kvasipartikler, der stammer fra en stærk kobling af elektromagnetiske bølger med en elektrisk eller magnetisk dipolbærende excitation-af nogle omtalt som en kobling med let stof. Polaritoner gør det muligt for nanostrukturer at begrænse - og komprimere - lys omkring materialet.

Evnen til at komprimere lys er nøglen til at nedskalere enheder til fremtidig optisk kommunikation og computing. Det kan også føre til sensing i en skala under et nanometer, vigtigt for at opnå biomedicinske fremskridt inden for påvisning af sygdom, forebyggelse og behandling.

Udfordringen for folk, der studerer disse materialer, siger Xu, er, hvordan man afslører - og karakteriserer - polaritonerne på nanoskalaen, fordi intet konventionelt mikroskop kan gøre det.

Nu har Xu og hans team fundet en måde at afsløre 3D-formen af ​​polariton-interaktionen omkring en nanostruktur. Deres teknik forbedrer den almindelige spektroskopiske billeddannelsesteknik kendt som scanning-type scanning nær-felt optisk mikroskopi (s-SNOM). Holdets metode, kaldet spidsstyret scanningstype scanning nær-felt optisk mikroskopi (PF-SNOM), fungerer gennem en kombination af spidsstyret tappetilstand og tidsdetekteret lysregistrering. Forskerne har detaljeret deres arbejde i en artikel kaldet:"Tomografisk og multimodal scanning-type scanning nær-felt optisk mikroskopi med spidsstyret tappemodus" offentliggjort online den 21. maj 2018 i Naturkommunikation . Ud over Xu, papirets medforfattere inkluderer Haomin Wang, Le Wang og Devon S. Jakob, Ph.d. studerende i Xus laboratorium.

I avisen, forfatterne udtaler:"PF-SNOM muliggør direkte snitning af lodrette nærfelt-signaler fra en prøveoverflade til både tredimensionel nærfeltbilleddannelse og spektroskopisk analyse. Tip-induceret afslapning af overfladefononpolitoner afsløres og modelleres ved at overveje tipdæmpning . "

Ifølge forskerne, PF-SNOM tilbyder også en forbedret rumlig opløsning på fem nanometer, frem for de typiske ti nanometer, der tilbydes af den traditionelle s-SNOM.

"Vores teknik kan være til gavn for forskere, der studerer nanostrukturer, så de bedre kan forstå, hvordan det elektriske felt er fordelt omkring en given nanostruktur, "siger Xu.

Deres PF-SNOM karakteriseringsmetode er ikke kun mere direkte end eksisterende teknikker, det kan også samtidig opnå polaritonisk, mekanisk og elektrisk information.

Med en måling, forklarer Xu, flere oplysninger kan opnås - en unik fordel.

Udviklingen af ​​PF-SNOM voksede ud af teamets undersøgelse af gap mode, når to plasmoniske strukturer nærmer sig inden for få nanometer, er der en enorm forøgelse af plasmonintensiteten i kløften mellem de to strukturer, når energi overføres fra den ene struktur til den anden. Med deres evne til at indsnævre dette gap mode -svar i simuleringer, forskerne besluttede at forsøge at udvide den til ikke-mellemrumstilstand-når man øger afstanden mellem atomkraftmikroskopi (AFM) sondespids og prøven.

"Ved hjælp af et AFM -tip, vi målte det spredte lys som en funktion af tip-sample afstand, "forklarer Wang, en ph.d. studerende i Xus laboratorium og medforfatter på papiret. "Vi indsamlede derefter oplysninger på forskellige tip-sample-afstande og kombinerede al denne lagdelte information sammen for at opnå det tomografiske billede og afsløre 3D-polaritonstrukturen."

Interessant nok, da teamet begyndte deres eksperimenter, forventede de et andet resultat. Imidlertid, under simuleringerne, de observerede en særlig form for lysspredning og så, at der var en tydelig forstærkning af mellemrum.

"Det viste sig, at vi kunne sektionere lyset i forskellige tip-prøver afstande og bruge disse signaler til at se nærfeltresponsen på forskellige lag og i lodrette retninger, "siger Wang.

Han tilføjer:"Selvom dette arbejde blev udført med infrarød, i princippet kan den også udvides til andre frekvenser, såsom synlige og terahertz. "