Ny kvanteprikteknik kombinerer det bedste fra optisk og elektronmikroskopi

Det er ikke genudsendelser af "The Jetsons", men forskere, der arbejder ved National Institute of Standards and Technology, har udviklet en ny mikroskopiteknik, der bruger en proces, der ligner, hvordan et gammelt rør-fjernsyn producerer et billede - katodoluminescens - for at afbilde funktioner i nanoskala. Ved at kombinere de bedste egenskaber ved optisk og scanningselektronmikroskopi, den hurtige, alsidig, og højopløsningsteknik gør det muligt for forskere at se overflade- og undergrundstræk, der potentielt er så små som 10 nanometer i størrelse.

Den nye mikroskopiteknik, beskrevet i journalen AIP fremskridt , bruger en stråle af elektroner til at excitere et specielt konstrueret array af kvanteprikker, får dem til at udsende lavenergi synligt lys meget tæt på overfladen af ​​prøven, udnytter såkaldte "nærfelts"-effekter af lys. Ved at korrelere de lokale effekter af dette udsendte lys med positionen af ​​elektronstrålen, rumlige billeder af disse effekter kan rekonstrueres med opløsning i nanometerskala.

Teknikken undgår pænt to problemer i nanoskalamikroskopi, diffraktionsgrænsen, der begrænser konventionelle optiske mikroskoper til opløsninger, der ikke er bedre end omkring halvdelen af ​​lysets bølgelængde (altså omkring 250 nm for grønt lys), og de relativt høje energier og krav til prøveforberedelse af elektronmikroskopi, der er ødelæggende for skrøbelige prøver som væv.

NIST-forsker Nikolai Zhitenev, en medudvikler af teknikken, fik ideen for et par år siden at bruge en fosforbelægning til at producere lys til nærfelts optisk billeddannelse, men på det tidspunkt, ingen fosfor var tilgængelig, der var tynd nok. Tykke fosfor får lyset til at divergere, stærkt begrænse billedopløsningen. Dette ændrede sig, da NIST-forskerne slog sig sammen med forskere fra en virksomhed, der bygger højt konstruerede og optimerede kvanteprikker til belysningsapplikationer. Kvanteprikkerne kunne potentielt gøre det samme arbejde som en fosfor, og påføres i en belægning, der både er homogen og tyk nok til at absorbere hele elektronstrålen, samtidig med at den er tilstrækkelig tynd, så det producerede lys ikke behøver at rejse langt til prøven.

Samarbejdet fandt ud af, at kvanteprikkerne, som har et unikt kerne-skal design, effektivt producerede lavenergifotoner i det synlige spektrum, når de forsynes med en stråle af elektroner. En potentiel tynd-film lyskilde i hånden, gruppen udviklede en aflejringsproces for at binde dem til prøver som en film med en kontrolleret tykkelse på ca. 50 nm.

Meget ligesom i et gammelt rør-fjernsyn, hvor en elektronstråle bevæger sig over en fosforskærm for at skabe billeder, den nye teknik fungerer ved at scanne en elektronstråle hen over en prøve, der er blevet belagt med kvanteprikkerne. Prikkerne absorberer elektronernes energi og udsender det som synligt lys, der interagerer med og trænger ind på overfladen, som det er blevet belagt over. Efter at have interageret med prøven, de spredte fotoner opsamles ved hjælp af en tæt placeret fotodetektor, gør det muligt at konstruere et billede. Den første demonstration af teknikken blev brugt til at afbilde den naturlige nanostruktur af selve fotodetektoren. Fordi både lyskilden og detektoren er så tæt på prøven, diffraktionsgrænsen gælder ikke, og meget mindre objekter kan afbildes.

"I første omgang, vores forskning var drevet af vores ønske om at studere, hvordan inhomogeniteter i strukturen af ​​polykrystallinske solceller kunne påvirke omdannelsen af ​​sollys til elektricitet, og hvordan disse enheder kan forbedres, " siger Heayoung Yoon, avisens hovedforfatter. "Men vi indså hurtigt, at denne teknik også kunne tilpasses andre forskningsregimer, især billeddannelse til biologiske og cellulære prøver, våde prøver, prøver med ru overflader, samt organisk solcelle. Vi er ivrige efter at gøre denne teknik tilgængelig for det bredere forskningssamfund og se resultaterne."