Nanoskalagenerering af hvidt lys til ultrabredbånds nanospektroskopi

Forskere fra ITMO University har brugt en silicium-guld nanopartikel omrørt af en pulslaser i IR-bånd som en effektiv kilde til hvidt lys. En sådan "nanobulb" blev integreret i et standard probemikroskop, hvilket gjorde det muligt for forskerne at overvinde diffraktionsgrænsen og undersøge objekter i subbølgelængdestørrelse. Den nye teknologi gør moderne nærfeltsmikroskopi billigere og enklere, og er potentielt nyttig i medicin. Undersøgelsen er offentliggjort i Nano bogstaver .

For at undersøge et objekt ved hjælp af et almindeligt optisk mikroskop, visuelt lys fokuseres ved hjælp af specielle linser. Imidlertid, hvis objektet er mindre end en bølgelængde i størrelse, det kan ikke observeres i detaljer. Det er det, der kaldes diffraktionsgrænsen. Der er flere teknologier i dag, der er i stand til at overvinde denne grænse. I nærfelts optisk mikroskopi, objektets elektromagnetiske felt måles i nærfelt med en speciel sonde, der kan interagere med det lokaliserede elektromagnetiske felt og sprede det i området, hvor det kan registreres af fælles detektorer. Men for at få information om et objekt med en subbølgelængdeopløsning i et bredt spektrum, forskere bruger ofte timer på at scanne ved forskellige bølgelængder, indtil de dækker hele spektret.

Forskere fra ITMO University løste dette problem ved at bruge en såkaldt "nanobulb, " en miniature lyskilde baseret på en silicium-og-guld nanopartikel. Dens vigtigste egenskab er, at den udsender lys i et uhyre bredt bølgelængdebånd, fra 400 til 1, 000 nm. En enkelt nanopære kan registrere og analysere den optiske respons af alle slags subbølgelængde nanostrukturer i hele det synlige spektrum på samme tid. Dette øger effektiviteten og hastigheden af ​​mikroskopi med flere gange.

For at skabe nanopæren, forskere fra Institut for Nanofotonik og Metamaterialer trykte en silicium-og-guld nanopartikel. For at få det til at udsende fotoner, forskerne tændte den med en femtosekund IR-laser. Elektroner opnåede først højere energiniveauer, og gled derefter mod bunden af ​​siliciumledningsbåndet, udsender fotoner ved forskellige bølgelængder.

"Silicon, en halvleder uden direkte gab, er et dårligt materiale til at generere emissioner. Med andre ord, hvis du tænder den med en laser, det vil absorbere måske en million fotoner og udsende kun én. Endnu, det er meget billigt - du kan bogstaveligt talt lave det af sand. Dette er grunden til, at menneskeheden stræber efter at finde så mange anvendelser for det som muligt inden for solcelleanlæg, mikroelektronik og andre områder. Vi har fundet en meget uventet ansøgning, ved at bruge dens største ulempe – dens indirekte båndgab – til at skabe en kilde af hvidt lys i nanostørrelse, der kan udsende fotoner med energi på 3,4 til 1,1 eV, " siger Sergei Makarov, seniorforsker ved Institut for Nanofotonik og Metamaterialer.

"Desuden på grænsen mellem guld og silicium, grænseflader opstår, der giver en endnu bedre strålingsrekombination af elektroner. Masser af fysiske mekanismer, som vi endnu ikke skal forske i, er på arbejde her, så der er en masse teoretisk arbejde, vi bliver nødt til at gøre for at forbedre vores nanobulb, herunder oprettelse af en emissionsmodel, " siger Ivan Sinev, Ph.D. studerende ved ITMO Universitetet.

Han bemærker, at en anden positiv egenskab ved nanopæren er, at den bruger en IR-båndlaser til at generere synligt lys. Det betyder, at ekstra "støj" i det optiske signal kan fjernes ved at filtrere det dissiperede IR-lys, hvilket forbedrer effektiviteten, hvormed det faktiske signal registreres.

Efter forslag fra Anton Samusev, forskningsassistent ved ITMO University, nanopæren blev placeret på en fælles sonde i et atomkraftmikroskop ved hjælp af en metode udviklet af Ivan Mukhin og Filipp Komissarenko ved Institut for Nanofotonik og Metamaterialer. Sonden gjorde det muligt for forskerne at bringe kilden til synligt lys nær testmaterialet, hvilket i høj grad forstærkede samspillet mellem nærfelterne.

Signalet fra denne emission registreres og adskilles på et spektrum ved hjælp af et almindeligt spektrometer. Dermed, en nanopære kan integreres i standard mikroskopisk udstyr. Den kan fastgøres til enhver sonde og bruges til at optage dens signaler med almindelige fotodetektorer – alt imens den modtager information om en nano-objekters nærfelt i hele det synlige spektrumsbånd. Dermed, silicium-guld nanopartikler kunne gøre mikroskopi mere fleksibel og billigere.

"Vi er også ved at udvikle en idé om at bruge nanopæren som en nanolaser. Hvis vi placerer en sådan partikel i en resonator, der er i stand til at ændre bølgens driftslængde, vi kan ende med en afstembar laser, en, der kan fungere ved enhver indstillet bølgelængde i det synlige spektrum. Derudover nanopæren kan også blive brugt i biologi til formål som at belyse celler og detektere stoffer, der er følsomme over for bestemte bølgelængder, " tilføjer Sinev.