Krystalklar billeddannelse:Infrarød frembringer molekylært arrangement på nanoskala

Detaljering af den molekylære sammensætning af materialer - fra solceller til organiske lysemitterende dioder (LED'er) og transistorer, og medicinsk vigtige proteiner - er ikke altid en krystalklar proces.

For at forstå, hvordan materialer fungerer på disse mikroskopiske skalaer, og at designe materialer bedre for at forbedre deres funktion, det er nødvendigt ikke kun at vide alt om deres sammensætning, men også deres molekylære arrangement og mikroskopiske ufuldkommenheder.

Nu, et team af forskere, der arbejder ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har demonstreret infrarød billeddannelse af en organisk halvleder kendt for sine elektronikegenskaber, afslører vigtige nanoskaladetaljer om karakteren af ​​dens krystalformer og orienteringer, og defekter, der også påvirker dens ydeevne.

For at opnå dette billeddannelsesgennembrud, forskere fra Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS) og University of Colorado-Boulder (CU-Boulder) kombinerede kraften af ​​infrarødt lys fra ALS og infrarødt lys fra en laser med et værktøj kendt som et atomic force mikroskop. ALS, en synkrotron, producerer lys i en række bølgelængder eller "farver" - fra infrarød til røntgenstråler - ved at accelerere elektronstråler tæt på lysets hastighed omkring bøjninger.

Forskerne fokuserede begge kilder til infrarødt lys på spidsen af ​​atomkraftmikroskopet, som fungerer lidt som en pladespillernål – den bevæger sig hen over overfladen af ​​et materiale og måler de mest subtile overfladeegenskaber, når den løfter og dykker.

Teknikken, beskrevet i en nylig udgave af tidsskriftet Videnskabens fremskridt , giver forskere mulighed for at indstille det infrarøde lys på specifikke kemiske bindinger og deres arrangement i en prøve, vis detaljerede krystaltræk, og udforske det kemiske miljø på nanoskala i prøver.

"Vores teknik er bredt anvendelig, " sagde Hans Bechtel, en ALS-forsker. "Du kan bruge dette til mange typer materiale - den eneste begrænsning er, at det skal være relativt fladt", så spidsen af ​​atomkraftmikroskopet kan bevæge sig hen over dets toppe og dale.

Markus Raschke, en CU-Boulder professor, der udviklede billeddannelsesteknikken sammen med Eric Muller, en postdoktor i hans gruppe, sagde, "Hvis du kender den molekylære sammensætning og orientering i disse organiske materialer, så kan du optimere deres egenskaber på en meget mere ligetil måde.

"Dette arbejde informerer materialedesign. Følsomheden af ​​denne teknik går fra et gennemsnit på millioner af molekyler til et par hundrede, og billedopløsningen går fra mikronskalaen (milliontedele af en tomme) til nanoskalaen (milliarddele af en tomme), " han sagde.

Synkrotronens infrarøde lys gav det væsentlige brede bånd af det infrarøde spektrum, hvilket gør det følsomt over for mange forskellige kemikaliers bindinger på samme tid og giver også prøvens molekylære orientering. Den konventionelle infrarøde laser, med sin høje effekt, men alligevel smalle rækkevidde af infrarødt lys, i mellemtiden, gjorde det muligt for forskere at zoome ind på specifikke bindinger for at opnå meget detaljeret billeddannelse.

"Hverken ALS-synkrotronen eller laseren alene ville have givet os dette niveau af mikroskopisk indsigt, " sagde Raschke, mens kombinationen af ​​de to gav en kraftig sonde "større end summen af ​​dens dele."

Raschke for et årti siden første gang udforskede synkrotron-baseret infrarød nano-spektroskopi ved hjælp af BESSY synkrotron i Berlin. Med hans og ALS-forskernes hjælp Michael Martin og Bechtel, ALS blev i 2014 den første synkrotron til at tilbyde nanoskala infrarød billeddannelse til besøgende forskere.

Teknikken er især nyttig til undersøgelse og forståelse af såkaldte "funktionelle materialer", der besidder særlige fotoniske, elektronisk, eller egenskaber for energiomdannelse eller energilagring, bemærkede han.

I princippet, han tilføjede, det nye fremskridt i at bestemme molekylær orientering kunne tilpasses til biologiske undersøgelser af proteiner. "Molekylær orientering er afgørende for at bestemme biologisk funktion, " sagde Raschke. Orienteringen af ​​molekyler bestemmer, hvordan energi og ladning flyder over fra cellemembraner til molekylære solenergiomdannelsesmaterialer.

Bechtel sagde, at den infrarøde teknik tillader billedopløsning ned til omkring 10-20 nanometer, som kan løse funktioner op til 50, 000 gange mindre end et sandkorn.

Billedteknikken brugt i disse eksperimenter, kendt som "spredningstype scanning nærfelts optisk mikroskopi, " eller s-SNOM, bruger i det væsentlige atomkraftmikroskopets spids som en ultrafølsom antenne, som transmitterer og modtager fokuseret infrarødt lys i området af spidsens spids. Spredt lys, fanget fra spidsen, når den bevæger sig hen over prøven, optages af en detektor for at producere billeder i høj opløsning.

"Det er ikke-invasivt, og det giver information om molekylære vibrationer, "Når mikroskopets spids bevæger sig hen over prøven, sagde Bechtel. Forskere brugte teknikken til at studere de krystallinske egenskaber af et organisk halvledermateriale kendt som PTCDA (perylentetracarboxylsyredianhydrid).

Forskere rapporterede, at de observerede defekter i orienteringen af ​​materialets krystalstruktur, der giver en ny forståelse af krystallernes vækstmekanisme og kunne hjælpe med at designe molekylære enheder ved hjælp af dette materiale.

Den nye billedbehandlingsfunktion sætter scenen for et nyt National Science Foundation Center, annonceret i slutningen af ​​september, der forbinder CU-Boulder med Berkeley Lab, UC Berkeley, Florida International University, UC Irvine, og Fort Lewis College i Durango, Colo. Centret vil kombinere en række mikroskopiske billeddannelsesmetoder, inklusive dem, der bruger elektroner, røntgenstråler, og lys, på tværs af en bred vifte af discipliner.

Dette center, døbt STROBE for Science and Technology Center for Real-Time Functional Imaging, vil blive ledet af Margaret Murnane, en fremtrædende professor ved CU-Boulder, med Raschke, der fungerer som co-lead.

På Berkeley Lab, STROBE vil blive betjent af en række ALS-funktioner, inklusiv de infrarøde strålelinjer administreret af Bechtel og Martin og en ny strålelinje kaldet COSMIC (til "kohærent spredning og mikroskopi"). Det vil også drage fordel af Berkeley Lab-udviklede dataanalyseværktøjer.