Illustration af udviklet enkelt-molekyle laser nanospektroskopi med mikro-elektron volt energi opløsning. Vi kombinerede en smal-line afstembar laser med scanning tunneling microscope (STM) for at opnå μeV-energi og submolekylær-spatial opløsning, og demonstrerede den præcise karakterisering og visualisering af individuelle kvantetilstande af et enkelt molekyle. Kredit:Imada et al.
Når molekyler exciteres, de kan give anledning til en række energiomdannelsesfænomener, såsom lysemission og fotoelektrisk eller fotokemisk omdannelse. For at låse op for nye energikonverteringsfunktioner i organiske materialer, forskere bør være i stand til at forstå karakteren af et materiales ophidsede tilstand og kontrollere det.
Indtil nu, mange videnskabsmænd har brugt spektroskopiteknikker baseret på laserlys i forskning med fokus på exciterede tilstande. Ikke desto mindre, de var ude af stand til at bruge laserlys til at undersøge materialer i nanoskala, på grund af dets begrænsninger i såkaldt diffraktion. De spektroskopiske målemetoder anvendt på elektron- og scanningprobemikroskoper, der kan observere stoffer med atomare opløsninger, på den anden side, er stadig underudviklede.
Forskere ved RIKEN, det japanske videnskabs- og teknologiagentur (JST), University of Tokyo og andre institutter i Japan har for nylig udviklet en laser nanospektroskopi-teknik, der kan bruges til at undersøge individuelle molekyler. Denne teknik, præsenteret i et papir udgivet i Videnskab , kunne åbne op for nye muligheder for udvikling af forskellige nye teknologier, inklusive lysemitterende dioder (LED'er), solceller og fotosyntetiske celler.
"Det er meget vanskeligt at observere stoffer på atomniveau og direkte undersøge egenskaberne af stoffernes exciterede tilstand, som har været en af forhindringerne i energikonverteringsforskningen, " Hiroshi Imada, en af de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "I denne undersøgelse, vi kombinerer scanning tunneling mikroskopi (STM) med en laserspektroskopi for at opnå høj rumlig- og energiopløsning på samme tid, og dermed kunne vi afsløre molekylernes natur med hidtil uset præcision."
Teknikken udviklet af Imada og hans kolleger bruger laserlys til at drive det elektromagnetiske felt af en lokaliseret plasmon dannet i nanoskalaen mellem STM-spidsen og metalsubstratet ved en veldefineret frekvens bestemt af laserenergien. Plasmonfeltets laterale dimension er ca. 2 nm i diameter og mindre end den mindste lysplet i konventionel optik med to størrelsesordener. Dette felt fungerer som en nanoskala monokromatisk, indstillelig og mobil excitationskilde.
"Nøglepunktet i vores forskning er, at frekvensen af den drevne plasmon kan indstilles ved at indstille det eksternt bestrålende laserlys, " sagde Imada. "Det plasmoniske felt, der var præcist indstillet til den molekylære resonans, viste sig at være meget effektivt til at excitere det enkelte molekyle under STM-observationen, det gjorde det muligt for os at udføre nanospektroskopi med mikro-elektronvolt energiopløsning."
Mens teknikken udviklet af Imada og hans kolleger er baseret på fundamentale spektroskopimetoder, det kan potentielt åbne op for nye forskningsmuligheder inden for nanovidenskab. Faktisk, i modsætning til konventionelle STM-spektroskopiteknikker, deres metode bruger ikke tunnelelektroner og ligner mere konventionel laserspektroskopi.
"Vi har bevist, at det plasmoniske felt kan være en laserplet i nanoskala med en pletstørrelse på 1/100, " sagde Imada. "Vi forventer, at mange slags laserspektroskopi kan realiseres med den ekstreme rumlige opløsning baseret på vores eksperimentelle opsætning, blot ved at introducere nye lyskilder som kort-puls laser, frekvens kam, synkroniserede to-impulser, og så videre.
I fremtiden, teknikken introduceret af dette team af forskere kunne hjælpe med at låse op for specifikt designede energikonverterende funktioner i organiske materialer, ved at tillade videnskabsmænd at justere energiniveauerne i molekylære systemer. I mellemtiden forskerne planlægger at arbejde på en tidsbestemt version af deres teknik.
"Det er kendt, at der er en afvejning mellem tidsopløsning og energiopløsning, men information om tidsskala og energiniveauer er begge meget vigtige for korrekt at forstå den dynamiske proces, der finder sted i exciteret tilstand, " sagde Imada. "Vi planlægger at udvikle ultrahurtig nanospektroskopi, der er kompatibel med den præcise nanospektroskopi, der er udviklet her for at revolutionere forståelsen af energiomdannelse i molekylære systemer."
© 2021 Science X Network
Sidste artikelKaotiske elektroner følger grænsen i mærkelige metaller
Næste artikelPunkteringsmekanikken blev endelig forklaret