Ingeniører udtænker metode til fremstilling af højopløsninger, 3D -billeder af nanoskalaobjekter

For at designe den næste generation af optiske enheder, lige fra effektive solpaneler til lysdioder til optiske transistorer, ingeniører har brug for et tredimensionelt billede, der viser, hvordan lys interagerer med disse objekter på nanoskalaen.

Desværre, lysets fysik har kastet en vejspærring op i traditionelle billedteknikker:jo mindre objekt, jo lavere er billedets opløsning i 3D.

Nu, ingeniører ved Stanford og FOM Institute AMOLF, et forskningslaboratorium i Holland, har udviklet en teknik, der gør det muligt at visualisere de optiske egenskaber for objekter, der er flere tusindedele på størrelse med et sandkorn, i 3-D og med nanometer-opløsning.

Forskningen er detaljeret i det aktuelle nummer af Naturnanoteknologi .

Teknikken indebærer en unik kombination af to teknologier, katodoluminescens og tomografi, muliggør generering af 3D-kort over objektets optiske landskab, sagde studieforfatter Ashwin Atre, en kandidatstuderende i laboratoriegruppen til Jennifer Dionne, en adjunkt i materialevidenskab og teknik.

Målobjektet i dette principprøvende eksperiment var en guldbelagt halvmåne i diameter på 250 nanometer-flere hundrede gange så tynd som et menneskehår. For at undersøge halvmånens optiske egenskaber, de afbildede det først ved hjælp af et modificeret scanningselektronmikroskop. Da den fokuserede elektronstråle passerede gennem objektet, det begejstrede halvmånen energisk, får det til at udsende fotoner, en proces kendt som katodoluminescens.

Både intensiteten og bølgelængden af ​​de udsendte fotoner afhængede af, hvilken del af objektet elektronstrålen ophidsede, Sagde Atre. For eksempel, guldskallen i bunden af ​​objektet udsendte fotoner med kortere bølgelængder, end da strålen passerede nær hullet ved halvmånens spidser.

Ved at scanne strålen frem og tilbage over objektet, ingeniørerne skabte et 2-D billede af disse optiske egenskaber. Hver pixel i dette billede indeholdt også oplysninger om bølgelængden af ​​udsendte fotoner på tværs af synlige og nær-infrarøde bølgelængder. Denne 2-D katodoluminescens spektral billeddannelsesteknik, foregået af AMOLF -teamet, afslørede de karakteristiske måder, hvorpå lys interagerer med dette objekt i nanometer-skala.

"Fortolkning af et 2-D-billede, imidlertid, kan være ret begrænsende, "Sagde Atre." Det er som at forsøge at genkende et menneske ved deres skygge. Vi ville virkelig forbedre det med vores arbejde. "

For at skubbe teknikken ind i den tredje dimension, ingeniørerne vippede nanocrescenten og scannede den igen, indsamling af 2-D-emissionsdata i en række vinkler, hver giver større specificitet til placeringen af ​​det optiske signal.

Ved at bruge tomografi til at kombinere denne tilt-serie af 2-D-billeder, ligner hvordan 2-D røntgenbilleder af en menneskekrop er syet sammen for at producere et 3D-CT-billede, Atre og hans kolleger lavede et 3D-kort over objektets optiske egenskaber. Dette eksperimentelle kort afslører kilder til lysemission i strukturen med en rumlig opløsning i størrelsesordenen 10 nanometer.

I årtier, teknikker til billede af lys-stof-interaktioner med sub-diffraktionsbegrænset opløsning har været begrænset til 2D. "Dette arbejde kunne muliggøre en ny æra med 3D optisk billeddannelse med nanometer-skala rumlig og spektral opløsning, "sagde Dionne, der er tilknyttet Stanford Institute for Materials and Energy Sciences på SLAC.

Teknikken kan bruges til at undersøge mange systemer, hvor lys udsendes ved elektron excitation.

"Det har applikationer til test af forskellige typer konstruerede og naturlige materialer, "Sagde Atre." For eksempel, det kan bruges til fremstilling af lysdioder til at optimere den måde, lys udsendes på, eller i solpaneler for at forbedre absorptionen af ​​lys af de aktive materialer. "

Teknikken kan endda modificeres til billeddannelse af biologiske systemer uden behov for fluorescerende mærker.