Nanostructuren zijn de heilige graal van nieuwe materialen. Het wondermateriaal grafeen, bijvoorbeeld, is een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een zeshoekig patroon dat, vanwege zijn geleidbaarheid, flexibiliteit, transparantie en kracht, heeft het potentieel om efficiëntere zonnecellen te maken, kleinere en snellere elektrische circuits en microchips, transparante displays, en condensatoren en batterijen met een hoge dichtheid.

Volgens Xiaoji Xu, assistent-professor bij de afdeling Scheikunde aan de Lehigh University, een andere eigenschap die nanomaterialen zoals grafeen zo speciaal maakt, is hun vermogen om een ​​natuurkundig fenomeen te genereren dat polariton wordt genoemd.

Polaritonen zijn quasideeltjes die het resultaat zijn van een sterke koppeling van elektromagnetische golven met een elektrische of magnetische dipooldragende excitatie - door sommigen aangeduid als een licht-materie-koppeling. Polaritonen maken het voor nanostructuren mogelijk om licht rond het materiaal te beperken en samen te drukken.

De mogelijkheid om licht te comprimeren is de sleutel tot het verkleinen van apparaten voor toekomstige optische communicatie en computergebruik. Het kan ook leiden tot waarneming op een schaal van minder dan één nanometer, belangrijk voor het bereiken van biomedische vooruitgang bij het opsporen van ziekten, preventie en behandeling.

De uitdaging voor mensen die deze materialen bestuderen, zegt Xu, is hoe je de polaritonen op nanoschaal kunt onthullen - en karakteriseren, omdat geen enkele conventionele microscoop dat kan.

Nu hebben Xu en zijn team een ​​manier gevonden om de 3D-vorm van de polariton-interactie rond een nanostructuur te onthullen. Hun techniek is een verbetering van de gebruikelijke spectroscopische beeldvormingstechniek die bekend staat als verstrooiing-type scanning near-field optische microscopie (s-SNOM). De werkwijze van het team, genaamd peak force scattering-type scanning near-field optische microscopie (PF-SNOM), werkt door een combinatie van de piekkracht-tapping-modus en tijdgestuurde lichtdetectie. De onderzoekers hebben hun werk gedetailleerd beschreven in een artikel genaamd:"Tomographic and multimodal scattering-type scanning near-field optical microscopy with peak force tapping mode", online gepubliceerd op 21 mei 2018 in Natuurcommunicatie . Naast Xu, de co-auteurs van het papier zijn onder meer Haomin Wang, Le Wang en Devon S. Jakob, doctoraat studenten in Xu's lab.

In de krant, de auteurs stellen:"PF-SNOM maakt directe segmentering van verticale nabije-veldsignalen van een monsteroppervlak mogelijk voor zowel driedimensionale nabije-veldbeeldvorming als spectroscopische analyse. Tip-geïnduceerde relaxatie van oppervlakte-fononpolaritonen wordt onthuld en gemodelleerd door tipdemping in overweging te nemen ."

Volgens de onderzoekers is PF-SNOM biedt ook een verbeterde ruimtelijke resolutie van vijf nanometer, in plaats van de typische tien nanometer die de traditionele s-SNOM biedt.

"Onze techniek kan nuttig zijn voor wetenschappers die nanostructuren bestuderen, waardoor ze beter kunnen begrijpen hoe het elektrische veld rond een bepaalde nanostructuur wordt verdeeld, " zegt Xu.

Hun PF-SNOM karakteriseringsmethode is niet alleen directer dan bestaande technieken, het kan ook tegelijkertijd polaritonisch verkrijgen, mechanische en elektrische informatie.

Met één meting legt Xu uit, meerdere vormen van informatie kunnen worden verkregen - een uniek voordeel.

De ontwikkeling van PF-SNOM is voortgekomen uit de studie van het team naar de gap-modus, wanneer twee plasmonstructuren elkaar binnen enkele nanometers naderen, is er een enorme toename van de plasmonintensiteit in de opening tussen de twee structuren wanneer energie van de ene structuur naar de andere wordt overgedragen. Met hun vermogen om deze gap-modusrespons in simulaties te verkleinen, de onderzoekers besloten om te proberen het uit te breiden naar de non-gap-modus - bij het vergroten van de afstand tussen de sondepunt van de atoomkrachtmicroscopie (AFM) en het monster.

"Met behulp van een AFM-tip, we hebben het verstrooide licht gemeten als een functie van de afstand tussen punt en monster, " legt Wang uit, een doctoraat student in Xu's lab en een co-auteur op het papier. "Vervolgens verzamelden we informatie op verschillende tip-sample-afstanden en combineerden we al deze gelaagde informatie om het tomografische beeld te verkrijgen en de 3D-polaritonstructuur te onthullen."

interessant, toen het team met hun experimenten begon, verwachtten ze een ander resultaat. Echter, tijdens de simulaties, ze observeerden een speciale vorm van lichtverstrooiing en zagen dat er een duidelijke verbetering van de gap-modus was.

"Het bleek dat we het licht op verschillende afstanden van tip-samples konden verdelen en die signalen konden gebruiken om de reactie van het nabije veld op verschillende lagen en in verticale richtingen te bekijken, " zegt Wang.

Hij voegt eraan toe:"Hoewel dit werk met infrarood is gedaan, in principe zou het ook kunnen worden uitgebreid tot andere frequenties, zoals zichtbaar en terahertz."