Flowkontrol af enkelt kvantepunkt muliggør målinger med nanoskala nøjagtighed til lavere omkostninger

(Phys.org) – At finde måder at se, position, måle, og nøjagtig manipulering af objekter i nanoskala er en vedvarende udfordring for forskere, der udvikler den næste generation af ultrakompakt elektronik, sensorer og optiske enheder. Selv de mest avancerede konventionelle mikroskoper er begrænset af diffraktion af den korteste bølgelængde af synligt lys, omkring 400 nanometer, gør dem ude af stand til at producere billeder eller målinger af objekter, der er væsentligt mindre end denne tærskel.

Forskere forsøger at løse dette problem ved at bruge "rapporteringssonder". Et nærfelt scanning optisk mikroskop (NSOM), for eksempel, er udstyret med en sonde fastgjort til en fin mekanisk spids, der kan scanne et objekt i nanoskala og skabe et billede baseret på det elektromagnetiske felt, det genererer. Men NSOM'er er komplekse, sarte og dyre stykker udstyr, og tilstedeværelsen af ​​spidsen forstyrrer interaktionen mellem sonden og prøven, forvrængning af billedet.

En ny undersøgelse fra University of Maryland (UMD) forskere, offentliggjort i den 5. feb. 2013-udgave af tidsskriftet Nature Communications, beskriver en ny teknik til billeddannelse langt under diffraktionsgrænsen ved at bruge en partikel, der er meget mindre end lysets bølgelængde, som en optisk sonde. Partiklen manipuleres med høj præcision ved hjælp af en billig mikrofluidisk enhed. Gennembruddet har gjort det muligt for forskerne at fange målinger i nanoskala med en rumlig nøjagtighed på 12 nanometer.

Quantum Dots:Nanoskopiske spotlights i en mikroskopisk flod

En kvanteprik er en 3-6 nanometer-størrelse, halvledende partikel omkring 25 gange diameteren af ​​et enkelt atom. Ved stuetemperatur, kvanteprikker kan udsende enkelte fotoner af lys, der kan indstilles til en ønsket bølgelængde. Dette gør dem til ideelle sonder til at undersøge nanostrukturer, der er mindre end tærskelværdien for synligt lys. Placeret tæt på et objekt i nanoskala, kvanteprikken bliver en slags spotlight, der forstærker det, som mikroskopet alene ikke kan se.

Problemet? Det er svært at fange og scanne en enkelt kvanteprik over et andet objekt i nanoskala.

UMD-teamets løsning ligger i en mikrofluidisk enhed, der manipulerer og placerer kvanteprikker ved hjælp af præcisionsflowkontrol. En computeralgoritme analyserer prikkerne spredt indeni, vælge en til at være den rapporterende sonde. Da den mikrofluidiske enhed skaber en væskestrøm, den målrettede prik begynder at bevæge sig. En billedstyret feedback-proces sporer løbende prikkens placering og justerer flowet i overensstemmelse hermed. For eksempel, hvis prikken observeres at være nordvest for dens ønskede placering, der skabes en sydøstlig strømning for at flytte den på plads.

Denne teknik giver forskere mulighed for at manipulere en enkelt prik præcist, lede det hurtigt til de ønskede steder, og holde den i hver position med nanometer nøjagtighed, så den kan bruges til at scanne objekter. Prikkens respons på hvert scannet objekt måles, give information om objektets elektromagnetiske felter med opløsning i nanoskala. Da intet mekanisk berører kvanteprikken eller påvirker dens interaktion med de objekter, den scanner, de producerede billeder er uden forvrængning, rent og skarpt.

En overlegen, Mindre dyr teknik

"I andre partikelmanipulationsteknikker - for eksempel laserpincet - skalerer kraften på en partikel med dens volumen, " forklarer Clark School of Engineering Prof. Benjamin Shapiro (Fischell Department of Bioengineering og Institute for Systems Research), en af ​​avisens medforfattere. "Men de tyktflydende kræfter, som væskestrømmen påfører, skalerer sig med partiklens diameter. På nanoskalaen, væskeflow har en større effekt på partiklen end konkurrerende teknikker, tillader os at bevæge os, guide og immobilisere kvanteprikken nemmere og mere præcist."

Ud over sin tekniske overlegenhed, det nye manipulationssystem i nanoskala er langt billigere end optisk mikroskopi med nærfeltsscanning, som kræver udstyr, der koster hundredtusindvis af dollars.

"Den nye teknik er mere alsidig, nemmere at implementere, og mere nøjagtig i en størrelsesorden end konventionel nærfeltsscanning optisk mikroskopi, " siger Shapiros kollega, Prof. Edo Waks (Institut for Elektro- og Computerteknik og Institut for Forskning i Elektronik og Anvendt Fysik). "I bund og grund, vi kan tage et mikroskop, tilføje en engangs mikrofluidisk enhed, og slå mulighederne for en NSOM til en brøkdel af omkostningerne og kompleksiteten.

"En bachelor kunne bygge den grundlæggende to-kanals mikrofluidisk enhed, der bruges i processen, ved at bruge standard bløde fremstillingsteknikker, på mindre end en time for under $50, " tilføjer han.

UMD-teamet håber at kunne pakke alle de nødvendige systemkomponenter ind i et billigt tilføjelsesprodukt til mikroskoper.