Onderzoekers van de Brown University hebben een manier aangetoond om een ​​krachtige vorm van spectroscopie - een techniek die wordt gebruikt om een ​​grote verscheidenheid aan materialen te bestuderen - in de nanowereld te brengen.

Laser terahertz emissiemicroscopie (LTEM) is een snelgroeiend middel om de prestaties van zonnecellen te karakteriseren, geïntegreerde schakelingen en andere systemen en materialen. Laserpulsen die een monstermateriaal verlichten, veroorzaken de emissie van terahertz-straling, die belangrijke informatie over de elektrische eigenschappen van het monster bevat.

"Dit is een bekend hulpmiddel voor het bestuderen van in wezen elk materiaal dat licht absorbeert, maar het is nooit mogelijk geweest om het op nanoschaal te gebruiken, " zei Daniël Mittleman, een professor in Brown's School of Engineering en corresponderende auteur van een paper waarin het werk wordt beschreven. "Ons werk heeft de resolutie van de techniek verbeterd, zodat deze kan worden gebruikt om individuele nanostructuren te karakteriseren."

Typisch, LTEM-metingen worden uitgevoerd met een resolutie van enkele tientallen microns, maar deze nieuwe techniek maakt metingen mogelijk tot een resolutie van 20 nanometer, ongeveer 1, 000 keer de resolutie die voorheen mogelijk was met traditionele LTEM-technieken.

Het onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift ACS Fotonica , werd geleid door Pernille Klarskov, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Mittleman, met Hyewon Kim en Vicki Colvin van Brown's Department of Chemistry.

Voor hun onderzoek hebben het team paste zich aan voor terahertz-straling, een techniek die al werd gebruikt om de resolutie van infraroodmicroscopen te verbeteren. De techniek maakt gebruik van een metalen pin, taps toelopend naar een geslepen punt van slechts enkele tientallen nanometers breed, die net boven een monster zweeft dat moet worden afgebeeld. Als het monster verlicht is, een klein deel van het licht wordt direct onder de punt opgevangen, die een beeldresolutie mogelijk maakt die ongeveer gelijk is aan de grootte van de punt. Door de punt te verplaatsen, het is mogelijk om afbeeldingen met ultrahoge resolutie van een volledig monster te maken.

Klarskov kon aantonen dat dezelfde techniek ook kan worden gebruikt om de resolutie van terahertz-emissie te verhogen. Voor hun studie zij en haar collega's waren in staat om een ​​individuele gouden nanostaaf af te beelden met een resolutie van 20 nanometer met behulp van terahertz-emissie.

De onderzoekers denken dat hun nieuwe techniek in grote lijnen nuttig kan zijn bij het karakteriseren van de elektrische eigenschappen van materialen in ongekend detail.

"Terahertz-emissie is gebruikt om veel verschillende materialen te bestuderen:halfgeleiders, supergeleiders, isolatoren met brede bandafstand, geïntegreerde schakelingen en anderen, "Zei Mittleman. "Om dit tot op het niveau van individuele nanostructuren te kunnen doen, is een groot probleem."

Een voorbeeld van een onderzoeksgebied dat baat zou kunnen hebben bij de techniek, Mittelman zegt, is de karakterisering van perovskiet zonnecellen, een opkomende zonnetechnologie die uitgebreid is bestudeerd door Mittlemans collega's bij Brown.

"Een van de problemen met perovskieten is dat ze gemaakt zijn van multikristallijne korrels, en de korrelgrenzen beperken het transport van lading door een cel, " zei Mittleman. "Met de resolutie die we kunnen bereiken, we kunnen elke korrel in kaart brengen om te zien of verschillende arrangementen of oriëntaties invloed hebben op ladingsmobiliteit, wat zou kunnen helpen bij het optimaliseren van de cellen."

Dat is een voorbeeld van waar dit nuttig zou kunnen zijn, Mittman zei, maar daar blijft het zeker niet toe beperkt.

"Dit kan vrij brede toepassingen hebben, " hij merkte.