Een onderzoeksteam van McGill heeft een nieuwe techniek ontwikkeld om onvolkomenheden van nanoformaat in materialen te detecteren. Ze geloven dat deze ontdekking zal leiden tot verbeteringen in de optische detectoren die worden gebruikt in een breed scala aan technologieën, van mobiele telefoons tot camera's en glasvezel, maar ook in zonnecellen.

De onderzoekers, onder leiding van professor Peter Grutter van McGill's Physics Department, gebruikte atoomkrachtmicroscopie om de ultrasnelle krachten te detecteren die optreden wanneer licht interageert met materie. In hun krant deze week gepubliceerd in PNAS , ze tonen aan dat krachten die voortkomen uit twee, in de tijd vertraagde lichtpulsen kunnen worden gedetecteerd met een precisie van minder dan een seconde (dit zijn miljoenste van een miljardste van een seconde) en een ruimtelijke resolutie van nanometer in een breed scala aan materialen.

Verbeterde techniek voor het gebruik van licht om onvolkomenheden in materialen te detecteren

"Om materialen te begrijpen en te verbeteren, wetenschappers gebruiken doorgaans lichtpulsen die sneller zijn dan 100 femtoseconden om te onderzoeken hoe snel reacties optreden en om de langzaamste stappen in het proces te bepalen, " legt Zeno Schumacher uit, de eerste auteur van het artikel die een postdoctoraal onderzoeker was in het laboratorium van Grutter toen het onderzoek werd gedaan en nu is gevestigd aan de ETH Zürich. "Het elektrische veld van een lichtpuls oscilleert om de paar femtoseconden en zal duwen en trekken aan de atomaire ladingen en ionen waaruit materie bestaat. Deze geladen lichamen bewegen dan, of polariseren, onder deze krachten en het is deze beweging die de optische eigenschappen van een materiaal bepaalt."

Echte materialen die worden gebruikt in zonnecellen (ook bekend als fotovoltaïsche cellen) en in optische detectoren die worden gebruikt in apparatuur zoals mobiele telefoons en camera's hebben veel onvolkomenheden en defecten van verschillende typen die zeer moeilijk te karakteriseren zijn, omdat ze meestal slechts een nanometer groot zijn. Bovendien, het was een hele uitdaging om de 'hot spots' en 'zwakke schakels' in de materialen te identificeren en te bestuderen die door licht geïnduceerde processen kunnen vertragen of belemmeren, omdat traditionele technieken voor het detecteren van onvolkomenheden gemiddeld zijn over verschillen in eigenschappen in een groter gebied.

Onvolkomenheden op nanoschaal zien in een reeks materialen

De nieuwe techniek ontwikkeld door het McGill-team combineert ultrasnelle niet-lineaire optische methoden met de hoge ruimtelijke resolutie van atoomkrachtmicroscopie. Ze hebben aangetoond dat hun techniek werkt op een isolerend niet-lineair optisch materiaal (LiNbO ₃ ) en een nanometer dun, tweedimensionale halfgeleidende vlok van molybdeendiselenide (MoSe ₂ ), een anorganische verbinding die wordt gebruikt in optische en scanning-sondemicroscopie.

"Onze nieuwe techniek is toepasbaar op elk materiaal, zoals metalen, halfgeleiders en isolatoren, " zegt Peter Grutter, de senior auteur op het papier. "Het zal het gebruik van een hoge ruimtelijke en temporele resolutie mogelijk maken om te studeren, onvolkomenheden in fotovoltaïsche materialen te begrijpen en uiteindelijk te controleren. uiteindelijk, het moet ons helpen zonnecellen en de optische detectoren die in een breed scala aan technologieën worden gebruikt, te verbeteren."