En scanning-type scanning nearfield optisk mikroskop undersøger materialer i nanoskalaen

En MIT-fysiker har bygget et nyt instrument af interesse for MIT-forskere på tværs af en lang række discipliner, fordi det hurtigt og relativt billigt kan bestemme en række vigtige egenskaber ved et materiale på nanoskala. Det er i stand til ikke kun at bestemme indre egenskaber af et materiale, såsom hvordan materialets elektriske eller optiske ledningsevne ændres over udsøgt korte afstande, men også visualisering af individuelle molekyler, som proteiner.

"Moderne materialeforskning har haft stor gavn af avancerede eksperimentelle værktøjer, " siger Long Ju, en adjunkt ved Institut for Fysik. Ju er ekspert i et spirende instrument, der kombinerer nanoskopi - evnen til at se ting på nanoskala - med spektroskopi, som sonderer materialer ved at udforske deres interaktioner med lys.

Værktøjet, kendt som et nærfelt infrarødt nanoskop og spektroskop (det er også kendt som et scanning-nær-nær-optisk mikroskop med spredningstype, eller s-SNOM), er tilgængelig kommercielt. Imidlertid, "det er ret udfordrende for nye brugere, hvilket begrænser anvendelsen af ​​teknikken, «siger Ju.

Så Ju-gruppen byggede sin egen version af værktøjet – den første s-SNOM på MIT – og færdiggjorde i maj en anden, mere avanceret version med ekstra funktioner. Nu er begge instrumenter tilgængelige for MIT-samfundet, og Ju-gruppen er klar til at yde assistance til MIT-brugere og udvikle nye funktionaliteter. Ju opfordrer MIT -kolleger til at kontakte ham med potentielle applikationer eller spørgsmål.

"Det er spændende, fordi det er en platform, der kan, i princippet, vært for mange forskellige materialesystemer og udtrække nye oplysninger fra hver, "siger Ju, som også er tilknyttet MIT's Materials Research Laboratory. "Det er også en platform for nogle af de bedste hjerner i verden - MIT-forskere - til at udtænke ting ud over, hvad der kan gøres på en standard s-SNOM."

Det nye værktøj er baseret på atomkraftmikroskopi (AFM), hvor en ekstremt skarp metallisk spids med en radius på kun 20 nanometer, eller milliarddeler af en meter, scannes på tværs af overfladen af ​​et materiale. AFM laver et kort over de fysiske funktioner, eller topografi, af en overflade, med så høj opløsning, at den kan identificere "bjerge" eller "dale" mindre end et nanometer i højde eller dybde.

Tilføjelse af lys

Ju tilføjer lys til ligningen. Fokusering af en infrarød laser på AFM-spidsen gør den spids til en antenne "ligesom antennen på et fjernsyn, der bruges til at modtage signaler, " siger han. Og det, på tur, forbedrer i høj grad interaktionen mellem lyset og materialet under spidsen. Det tilbagespredte lys indsamlet fra disse interaktioner kan analyseres for at afsløre meget mere om overfladen, end det ville være muligt med en konventionel AFM.

Resultatet:"Du kan få et billede af din prøve med tre størrelsesordener bedre rumlig opløsning end konventionelle infrarøde målinger, " siger Ju. I tidligere arbejde rapporteret i Natur , han og kolleger offentliggjorde billeder af grafen taget med AFM og med det nye værktøj. Der er fællestræk mellem de to, men nærfeltsbilledet er fyldt med lyse linjer, der ikke er synlige i AFM-billedet. De er domænevægge, eller grænsefladerne mellem to forskellige sektioner af et materiale. Disse grænseflader er nøglen til at forstå et materiales struktur og egenskaber.

Billeder af lignende detaljer kan tages med transmissionselektronmikroskopi (TEM), men TEM har nogle ulemper. For eksempel, den skal betjenes i et ultrahøjt vakuum, og prøver skal være ekstremt tynde til suspension på en film eller membran. "Det førstnævnte begrænser den eksperimentelle gennemstrømning, mens sidstnævnte ikke er kompatibel med de fleste materialer, «siger Ju.

I modsætning, nærfelts nanoskopet "kan betjenes i luft, kræver ikke suspension af prøven, og du kan arbejde på de fleste faste underlag, " siger Ju.

Mange applikationer

Ju bemærker, at nærfeltsværktøjet ikke kun kan give billeder i høj opløsning af højder; Analysen af ​​tilbagespredt lys fra maskinens spids kan også give vigtige oplysninger om et materiales indre egenskaber. For eksempel, det kan se metaller fra isolatorer. Det kan også skelne mellem materialer med den samme kemiske sammensætning, men forskellige interne strukturer (tænk diamant versus blyant).

I et eksempel beskriver han som "særligt cool, " Ju siger, at instrumentet endda kunne bruges til at se en materialeovergang fra isolator til superleder, når temperaturen ændres. Det er også i stand til at overvåge kemiske reaktioner på nanoskala.

Ju bemærker også, at det nye værktøj kan betjenes på forskellige måder til forskellige formål. For eksempel, han sagde, værktøjets spids kan enten scannes på tværs af en overflade, mens den bestråles med en bestemt bølgelængde af lys, eller spidsen kan parkeres over et bestemt område og sonderes med lys af forskellige bølgelængder. Forskellige lysbølgelængder interagerer forskelligt med forskellige materialer, give endnu mere information om et givet materiales sammensætning eller andre egenskaber.

Ju, som kom til MIT i 2019, nyder at møde andre MIT-forskere, som måske har applikationer til hans maskine. "Det er spændende at arbejde med mennesker fra forskellige forskningsområder. I kan arbejde sammen om at skabe nye ideer på forkant."