Første fiberoptiske nanotip-elektronpistol muliggør lettere forskning i nanoskala

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory og University of Nebraska har udviklet en nemmere måde at generere elektroner til nanoskala billeddannelse og sensing, at give et nyttigt nyt værktøj til materialevidenskab, bioimaging og grundlæggende kvanteforskning.

I en undersøgelse offentliggjort i New Journal of Physics , forskerne rapporterede, at affyring af intense laserimpulser gennem en fiberoptisk nanotip fik spidsen til at udsende elektroner, skabe en hurtig "elektronpistol", der kan bruges til at sondere materialer. Enheden giver forskere mulighed for hurtigt at undersøge overflader fra enhver vinkel, hvilket giver en enorm fordel i forhold til mindre mobile eksisterende teknikker.

"Det fungerer efter princippet om lysaktivering, så lys kommer ind og stimulerer elektronerne i metallet på den rigtige måde, så de får nok energi til at komme ud, "sagde Ali Passian fra ORNL's Quantum Information Science -gruppe.

Elektroner er et uvurderligt værktøj til at få et nærmere kig på overfladeegenskaber af materialer. De subatomære partikler, som har kortere bølgelængder end fotoner - lyspartikler - kan forstørre objekter ved nanometer, eller en milliarddel af en meter, opløsning - eksponentielt højere end lysforstørrelse.

Siden midten af ​​2000'erne, forskere har brugt skarpe nanospidser til at udsende elektroner i stramt fokuserede stråler. Nanospidserne giver forbedret rumlig og tidsmæssig opløsning sammenlignet med andre scanningselektronmikroskopiteknikker, hjælper forskere med bedre at spore igangværende interaktioner på nanoskala. I disse teknikker, elektroner udsendes, når fotoner exciterer spidserne.

Før dette studie, imidlertid, nanotipemissionsmetoder har baseret på ekstern lysstimulering. At generere elektroner, forskere skulle omhyggeligt justere laserstråler på spidsen af ​​nanotipen.

"Tidligere lasere skulle spore spidserne, hvilket er teknologisk meget sværere at gøre, " sagde Herman Batelaan, en medforfatter på undersøgelsen, der leder forskning i elektronkontrol ved University of Nebraska. Opgavens vanskelighed begrænsede, hvor hurtigt billeder kunne tages og fra hvilken position.

Men Passian havde en idé til en anden tilgang. Ved at affyre laserlys gennem en fleksibel optisk fiber for at belyse dens tilspidsede, metalbelagt nanotip indefra, han forudsagde, at han kunne skabe et lettere manøvrerbart værktøj.

"Ideen var, at fordi dette er enkelt og indeholdt - lyset formerer sig indefra - kan du undersøge forskellige dele af materialet i forskellige højder og laterale positioner, " sagde Passian.

For at finde ud af, om hans idé var mulig, Passian slog sig sammen med Batelaan og derefter kandidatstuderende Sam Keramati ved University of Nebraska. Nebraska-holdet brugte en femtosekund laser til at skyde ultrakort, intense pulser gennem en optisk fiber og ind i et vakuumkammer. I kammeret, lyset bevægede sig gennem en guldbelagt fiber nanotip, der var blevet fremstillet hos ORNL.

Holdet observerede faktisk kontrolleret elektronemission fra nanospidsen. Analyserer data, de foreslog, at mekanismen, der muliggør emissionen, ikke er enkel, men omfatter snarere en kombination af faktorer.

En faktor er, at nanotipsens form og metalbelægning genererer et elektrisk felt, der hjælper med at skubbe elektroner ud af spidsen. En anden faktor er, at dette elektriske felt ved nanotipsens spids kan forstærkes af bestemte bølgelængder af laserlys.

"Ved at indstille femtosekundlaseren til den korrekte bølgelængde, som vi kalder overfladen plasmon resonansbølgelængde, vi fandt ud af, at vi kom over tærskelværdien, " Sagde Keramati. Overfladeplasmonresonans betyder en kollektiv svingning af elektronerne på overfladen af ​​metallet. Emission over tærskelværdien opstår, når elektroner absorberer nok energi fra fotoner til at blive skudt ud med en indledende kinetisk energi.

For at verificere, at elektronerne blev udsendt på grund af lys og ikke varme, holdet studerede nanotiperne selv. Spidserne pådrog sig ingen skade under eksperimentet, hvilket angiver, at emissionsmekanismen faktisk er lysdrevet.

En yderligere fordel ved den nye teknik, de fandt, er, at laserkildens hurtigskiftende kapacitet giver dem mulighed for at kontrollere elektronemission ved hastigheder hurtigere end et nanosekund. Dette vil give dem en bedre måde at tage billeder med en hurtig hastighed. Sådanne billeder kan derefter deles sammen næsten som en film for at spore komplekse interaktioner på nanoskalaen.

Skru ned for strømmen

Tilfreds med disse første resultater, holdet besluttede at teste, om de kunne opnå et lignende resultat med en langt mindre kraftig kontinuerlig bølgelaser, samme type findes i en daglig laserpeger. For at kompensere for manglen på laserkraft, de øgede spændingen ved nanospidsen, skabe en energipotentialforskel, som de troede kunne hjælpe med at uddrive elektroner. Til deres overraskelse, det virkede.

"Så vidt vi ved, er dette den mindste laserintensitet, der har givet anledning til elektronemission fra nanospidser, "Keramati, nu en postdoktor, sagde om resultaterne offentliggjort i Anvendt fysik bogstaver .

"Nu i stedet for at have en kraftfuld, ekstremt dyr laser, du kan gå med en $10 diode laser, "Bemærkede Batelaan.

Selvom kontinuerlige bølgelasere mangler de hurtige omskiftningsevner fra mere kraftfulde femtosekundlasere, langsom skift giver sine egne fordele; nemlig muligheden for bedre at kontrollere varigheden og antallet af elektroner, der udsendes af nanospidser.

Holdet demonstrerede, faktisk, at styringen leveret af langsom skift muliggjorde elektronemission inden for de grænser, der var nødvendige for en futuristisk applikation kaldet elektronspøgelsesbilleddannelse. Nyligt demonstreret lysspøgelsesbilledudnyttelse udnytter kvanteegenskaber af lys til billedfølsomme prøver, såsom levende biologiske celler, ved meget lav eksponering.

Ved at samle flere fiber nanospidser sammen, teamet håber at opnå elektron spøgelsesbilleddannelse på nanoskalaen.