Høj opløsning mikroskopi teknik løser individuelle kulstof nanorør under omgivende forhold

Carbon nanorør forventes at blive brugt i et utal af applikationer lige fra militær beskyttelsesbeklædning til brintlagring. På grund af deres nanometerdimensioner, imidlertid, strukturen og overfladekemien af ​​individuelle kulstofnanorør kan ikke let studeres ved hjælp af konventionelle teknikker. Norihiko Hayazawa og kolleger fra Near Field NanoPhotonics Research Team på RIKEN Center for Advanced Photonics har nu udviklet en højopløsningsmikroskopiteknik, der kan opløse individuelle kulstofnanorør under omgivende forhold.

Raman-spektroskopi er meget udbredt til at undersøge materialers egenskaber med høj præcision. Det involverer excitation af materialets overflade med en laser og derefter måling af ændringen i laserenergi, efter at den er spredt fra overfladen. Tip-forstærket Raman-spektroskopi (TERS) bruges til at opnå tæt på molekylær opløsning ved at føre en metallisk spids hen over materialets overflade for at forbedre Raman-signalerne fra nærliggende molekyler. TERS ved hjælp af en atomkraftmikroskop (AFM) spids er i stand til samtidigt at vurdere strukturen og overfladekemien af ​​materialer ved en opløsning på omkring 10-20 nanometer - langt under diffraktionsgrænsen for konventionelle optiske mikroskoper.

Udskiftning af AFM-spidsen med en scanning tunneling microscope (STM) spids har for nylig vist sig at forbedre opløsningen af ​​teknikken dramatisk. Placeringen af ​​den metalliske STM-spids kan styres mere præcist end for en AFM, gør det muligt at scanne et materiale med et mellemrum mellem spidsen og overfladen på mindre end 1 nanometer. Stærk kobling mellem elektroniske resonanser kaldet 'plasmoner' af spidsen og materialeoverfladen på tværs af denne smalle spalte i STM-TERS forbedrer yderligere opløsningen af ​​teknikken (fig. 1).

"Med vores STM-TERS system, vi har opnået opløsning på 1,7 nanometer, hvilket betyder, at kulstof nanorør kan visualiseres ved dimensionerne af deres diameter, " forklarer Hayazawa. "Dette gør det muligt for første gang at udvinde den lokale egenskab af kulstof-nanorørene optisk uden at tage et gennemsnit."

Mens tidligere STM-baserede teknikker og STM-TERS-metoder på nanoskala har krævet kryogene temperaturer og ultrahøje vakuum, STM-TERS-teknikken udviklet af Hayazawas team kan bruges med et kompakt kammer ved omgivende tryk og temperatur. Dette udvider markant rækken af ​​materialer, der kan sonderes. "DNA-sekventering, proteindynamik på biologiske membraner, og organiske solceller kræver alle omgivende forhold, " forklarer Hayazawa.

Ud over at bruge teknikken til at sondere andre materialer i ultrahøj opløsning, forskerne håber at kunne afsløre tidligere uopdagede fysiske egenskaber ved kulstofnanorør.