Se i farver på nanoskala

Hvis nanovidenskab var fjernsyn, vi ville være i 1950'erne. Selvom forskere kan lave og manipulere objekter i nanoskala med stadig mere fantastisk kontrol, de er begrænset til sort-hvide billeder til at undersøge disse objekter. Information om nanoskala kemi og interaktioner med lys - atommikroskopi svarende til farve - er fristende uden for rækkevidde for alle undtagen de mest vedholdende forskere.

Men det kan alt sammen ændre sig med introduktionen af ​​et nyt mikroskopiværktøj fra forskere ved Department of Energy (DOE)'s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), der leverer udsøgte kemiske detaljer med en opløsning, der engang ansås for umulig. Holdet udviklede deres værktøj til at undersøge sol-til-elektrisk energikonvertering på dets mest fundamentale niveau, men deres opfindelse lover at afsløre nye verdener af data for forskere inden for alle områder af nanovidenskab.

"Vi har fundet en måde at kombinere fordelene ved scanning/probe mikroskopi med fordelene ved optisk spektroskopi, " siger Alex Weber-Bargioni, en videnskabsmand ved Molecular Foundry, et DOE nanoscience center ved Berkeley Lab. "Nu har vi et middel til rent faktisk at se på kemiske og optiske processer på nanoskalaen, hvor de finder sted."

Weber-Bargioni er den tilsvarende forfatter til et papir, der rapporterer om denne forskning, udgivet i Videnskab . Avisen har titlen, "Kortlægning af lokal ladningsrekombinationsheterogenitet ved multidimensionel nanospektroskopisk billeddannelse." Medforfatter til papiret er Wei Bao, Mauro Meli, Frank Ogletree, Shaul Aloni, Jeffrey Bokor, Stephano Cabrini, Miquel Salmeron, Eli Yablonovitch, og James Schuck fra Berkeley Lab; Marco Staffaroni fra University of California, Berkeley; Hyuck Choo fra Caltech; og deres kolleger i Italien, Niccolo Caselli, Francesco Riboli, Diederik Wiersma, og Francesca Intoni.

"Hvis du vil karakterisere materialer, især nanomaterialer, den måde, det traditionelt er blevet gjort på, er med elektronmikroskopier og scannings-/probemikroskoper, fordi de giver dig virkelig høj, subatomær rumlig opløsning, " siger medforfatter James Schuck, en nanooptikforsker ved Molecular Foundry. "Desværre, hvad de ikke giver dig er kemisk, information på molekylært niveau."

For kemisk information, forskere henvender sig typisk til optisk eller vibrationsspektroskopi. Den måde et materiale interagerer med lys på, er i høj grad dikteret af dets kemiske sammensætning, men for nanovidenskab er problemet med at lave optisk spektroskopi på relevante skalaer diffraktionsgrænsen, som siger, at du ikke kan fokusere lys ned til et sted, der er mindre end cirka halvdelen af ​​dets bølgelængde, på grund af lysets bølgenatur.

For at komme uden om diffraktionsgrænsen, videnskabsmænd anvender "nærfeltslys". I modsætning til det lys, vi kan se, nærfeltslys henfalder eksponentielt væk fra et objekt, gør det svært at måle, men den indeholder meget høj opløsning - meget højere end normalt, fjernfeltslys.

siger Schuck, "Den virkelige udfordring for nærfeltsoptik, og en af ​​de store bedrifter i dette papir, er at skabe en enhed, der fungerer som en transducer af fjernfeltslys til nærfeltslys. Vi kan presse det ned og få meget forbedrede lokale felter, der kan interagere med stof. Vi kan derefter indsamle alle fotoner, der er spredt eller udsendt på grund af denne interaktion, opsaml i nærfeltet med al denne rumlige frekvensinformation og vend den tilbage til udbredelse, fjernfeltslys."

Tricket til den konvertering er at bruge overfladeplasmoner:kollektive oscillationer af elektroner, der kan interagere med fotoner. Plasmoner på to overflader adskilt af et lille mellemrum kan samle og forstærke det optiske felt i mellemrummet, at give et stærkere signal for forskerne at måle.

Forskere har udnyttet disse effekter til at lave nærfeltsonder med en række forskellige geometrier, men eksperimenterne kræver typisk omhyggelig optisk justering, lider af baggrundsstøj, virker kun for snævre frekvensområder af lys og er begrænset til meget tynde prøver.

I dette seneste værk, imidlertid, Berkeley Lab-forskerne overskred disse begrænsninger med en smart designet nærfeltsonde. Fremstillet på enden af ​​en optisk fiber, sonden har en tilspidset, firesidet spids. Forskerne opkaldte deres nye værktøj efter det campanile kirketårn, det ligner, inspireret af det skelsættende klokketårn på UC Berkeley campus. To af campanilens sider er belagt med guld, og de to guldlag er adskilt med kun få nanometer i spidsen. Den tredimensionelle tilspidsning gør det muligt for enheden at kanalisere lys af alle bølgelængder ned i et forbedret felt ved spidsen. Størrelsen af ​​mellemrummet bestemmer opløsningen.

I et almindeligt atomkraftmikroskop (AFM), en skarp metalspids trækkes i det væsentlige hen over en prøve for at generere et topologisk kort med opløsning i sub-nanoskala. Resultaterne kan være udsøgte, men indeholder kun rumlig information og intet om prøvens sammensætning eller kemi.

At erstatte den sædvanlige AFM-spids med en campanile-spids er som at gå fra sort-hvid til fuld farve. Du kan stadig få det rumlige kort, men nu er der et væld af optiske data for hver pixel på det kort. Fra optiske spektre, forskere kan identificere atom- og molekylearter, og udtrække detaljer om elektronisk struktur.

"Det er det smukke ved disse tips, " siger Schuck. "Du kan bare sætte dem på enden af ​​en optisk fiber, og så er det ligesom at bruge en almindelig AFM. Du behøver ikke længere at være en super-nær-mark-jock for at få denne type data."

Holdet udviklede deres nye værktøj til at studere indium-phosphid nanotråde. Disse nanotråde, med det næsten ideelle båndgab på 1,4 elektron-volt, er velegnede til at omdanne solenergi til elektricitet. Forskerne fandt ud af, at nanotrådene ikke var de homogene objekter, man tidligere troede, men i stedet havde forskellige optoelektroniske egenskaber langs deres længde, som radikalt kan ændre, hvordan sollys omdannes til elektricitet. De fandt også, at fotoluminescens, en indikation af forholdet mellem lys og elektricitet, var syv gange stærkere i nogle dele af en nanotråd end andre. Det er første gang nogen har målt disse hændelser i så lille skala.

Weber-Bargioni siger:"Detaljer som denne om indium-phosphid nanotråde er vigtige, for hvis du ønsker at bruge disse sugere til fotokatalyse eller et fotovoltaisk materiale, så er længdeskalaen, som vi måler på, hvor alting sker. Denne information er virkelig vigtig. at forstå hvordan, for eksempel, fremstillingen og overfladebehandlingen af ​​nanotråde påvirker disse ladningsrekombinationshastigheder. Disse bestemmer, hvor effektivt en solenergienhed kan konvertere fotoner til brugbare elektroner."

Tilføjer Schuck:"Vi indså, at dette virkelig er den optimale måde at udføre enhver form for optisk eksperiment, man måtte ønske at udføre på nanoskalaen. Så vi bruger det til billeddannelse og spektroskopi, men vi forventer også mange andre anvendelser."