Mod vedvarende, stabil Raman-billeddannelse af store prøver på nanoskala

Raman-spektroskopi, en optisk mikroskopiteknik, er en ikke-destruktiv kemisk analyseteknik, der giver rig molekylær fingeraftryksinformation om kemisk struktur, fase, krystallinitet og molekylære interaktioner. Teknikken er afhængig af lysets interaktion med kemiske bindinger i et materiale. Men da lys er en bølge, er optiske mikroskoper ikke i stand til at opløse afstande mindre end halvdelen af ​​bølgelængden af ​​det lys, der falder ind på prøven. Dette er kendt som "diffraktionsgrænsen", som forhindrer Raman-spektroskopi og andre optiske mikroskopiteknikker i at nå opløsninger i nanoskala.

For at forbedre den rumlige opløsning blev en anden teknik kaldet "tip-enhanced Raman spectroscopy" (TERS) opfundet, som kan nå rumlige opløsninger under diffraktionsgrænsen. I TERS begrænser en metallisk spids i nanostørrelse lyset inden for et volumen i nanostørrelse lige over prøven. Lyset interagerer med prøvemolekylerne på overfladen, og billeddannelsen udføres ved at analysere det spredte lys.

TERS er med succes blevet brugt til at analysere kemiske sammensætninger og overfladefejl i prøven ved opløsninger på nanoskala. Under billeddannelse har nanospidsen dog en tendens til at drive på grund af uundgåelige termiske og vibrationssvingninger under omgivende forhold, hvilket forårsager, at prøven enten er ude af fokus eller fejljustering mellem nanospidsen og brændpunktet eller begge dele. Dette forårsager betydelige forvrængninger i de spredte signaler. For at undgå dette skal TERS-billeddannelse afsluttes inden for et tidsvindue på 30 minutter, en begrænsning, der forhindrer billeddannelse af enhver prøve større end 1 µm ² med opløsning i nanoskala.

I en ny undersøgelse offentliggjort i Science Advances , et forskerhold fra Japan, ledet af Dr. Ryo Kato, en udpeget adjunkt ved Institute of Post-LED Photonics ved Tokushima University, og lektor Takayuki Umakoshi og professor Prabhat Verma fra Osaka University, har nu udviklet, for den første tid, et stabilt TERS-system, der ikke er begrænset til et kort billedtidsvindue. Holdet demonstrerede sin evne ved at afbilde nanoskala defekter over en periode på 6 timer i en mikrometerstørrelse, todimensionel (2D) wolframdisulfid (WS₂ ) film - et materiale, der almindeligvis anvendes i optoelektroniske enheder. "Vores nye optiske nano-billeddannelsessystem muliggør karakterisering af defektanalyse i store WS₂ lag med en høj pixel opløsning ned til 10 nm uden væsentligt tab af optisk signal," siger Dr. Kato.

For at kompensere for driften over længere perioder udviklede holdet et feedbacksystem, der sporer forskydningen af ​​den fokuserede lyskilde og justerer fokusplanets position i overensstemmelse hermed. Lyskildens brændpunkt spores ved at måle forskydningen af ​​en reflekteret laserstyrestråle rettet ind i mikroskopet. Fokus stabiliseres derefter med en piezo-styret objektivscanner, hver gang systemet registrerer en drift eller en ændring i lyskildens fokusposition.

For at stabilisere nanospidsen designet holdet et laserscanning-assisteret spidsdriftskompensationssystem. I dette tilfælde tager galvano-scannere billeder af laserpletten omkring den metalliske nanotip, lige når den nærmer sig prøveoverfladen. Dette billede vises som et lyst punkt og angiver nanotipsens position. Når først målingen på en bestemt pixel er blevet udført, optages billedet af laserpletten omkring nanotipsen igen. Laserpletten flyttes derefter for at matche den nye position af nanotip i dette billede. Processen fortsætter gennem hele billeddannelsesprocessen, hvilket sikrer, at nanospidsen forbliver i en konstant position.

Ved at implementere disse rettelser var teamet i stand til at afbilde et 2D-ark af WS₂ (se billedet ovenfor) med et scanningsområde på 1 × 4 µm ² . Med et 12 gange længere billeddannelsestidsvindue end ved konventionel billeddannelse kunne de opdage unikke defekter, der savnes ved konventionel TER-billeddannelse. De viste også, at defekttætheden på en større WS₂ prøve (sammenlignelig med enhedsskalaer) var højere end den, der blev rapporteret for mindre prøver.

Undersøgelsen kunne åbne døre til præcis billeddannelse i høj opløsning af ikke kun optoelektroniske enheder, men også biologiske prøver. "Vores nye driftkompenserede TERS-mikroskopi kunne ikke kun evaluere overfladeegenskaber af enhedsmaterialer bedre, men også give os mulighed for at studere biologiske processer såsom mekanismen, der ligger til grund for udviklingen af ​​sygdomme. Dette kan igen hjælpe med at udvikle nye kliniske metoder og terapier, " siger Dr. Umakoshi. + Udforsk yderligere

Forskere demonstrerer etiketfri superopløsningsmikroskopi