Prof. Dong Zhenchao en Prof. Hou Jianguo van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China (USTC) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) hebben de ruimtelijke resolutie verbeterd van 8 nm tot ~8 Å van fotoluminescentiebeeldvorming. Dit heeft voor het eerst submoleculaire resolutie gerealiseerd met fotofluorescentiebeeldvorming met één molecuul.

Deze studie is gepubliceerd in Natuurfotonica op 10 augustus.

Het bereiken van atomaire resolutie met licht is altijd een van de ultieme doelen geweest in nano-optica, en de komst van scanning near-field optische microscopie (SNOM) wekte de hoop op dit doel.

Prof. Dong en zijn collega's hebben met succes een ruimtelijke resolutie op sub-nanometerschaal aangetoond in Raman-spectroscopiebeeldvorming met één molecuul met een lokaal verbeteringseffect van een nanocavity-plasmonveld in een onderzoek in 2013.

Echter, in tegenstelling tot het Raman-verstrooiingsproces, fluorescentie zal worden gedoofd in de zeer onmiddellijke nabijheid van metalen die de resolutie-ontwikkeling van SNOM bij ongeveer 10 nm stoppen.

De stralingseigenschappen (fluorescentie) van moleculen in de metalen nanoholte worden direct beïnvloed door de fotondichtheid van de nanoholte, en de fotondichtheid van de nanoholte hangt nauw samen met de structuur van de sondepunt. Daarom, het is van cruciaal belang om de structuur van de sonde en de elektronische toestand van de moleculen in de nanoholte te wijzigen om het uitdoven van de fluorescentie te voorkomen en om fotofluorescentiebeeldvorming met hoge resolutie te bereiken.

Dong's team heeft de plasmon-nanoholte verder verfijnd, vooral bij de fabricage en controle van de structuur op atomair niveau van de sondepunt. Ze construeerden een Ag-tip-apex met een atomistisch uitsteeksel en matchten de nanocavity-plasmonresonantie met de effectieve energie van de invallende laser en moleculaire luminescentie.

Vervolgens, de onderzoekers gebruikten een ultradunne diëlektrische laag (drie atomen dik NaCl) om de ladingsoverdracht tussen de nanocavity-moleculen en het metalen substraat te isoleren, het bereiken van een resolutie van sub-nanometer van de fotoluminescentie-beeldvorming met één molecuul.

Ze ontdekten dat met de sonde die het molecuul nadert, zelfs als hun afstand kleiner is dan 1 nm, de intensiteit van fotoluminescentie blijft monotoon toenemen. En de uitdoving van de fluorescentie verdwijnt volledig.

Theoretische simulaties toonden aan dat wanneer de atomistische uitsteekselpunt en het metalen substraat een plasmon-nanoholte vormen, de resonantierespons van het nanocavity-plasmon en het bliksemafleidereffect van de atomaire uitsteekselstructuur zouden een synergetisch effect hebben. Het synergetische effect genereert een sterk en sterk gelokaliseerd elektromagnetisch veld dat het volume van de holtemodus comprimeert tot minder dan 1 nm ³ , wat de gelokaliseerde fotondichtheid van toestanden en de moleculaire stralingsvervalsnelheid aanzienlijk verhoogt. Deze effecten remmen niet alleen het uitdoven van de fluorescentie, maar realiseer ook fotoluminescentiebeeldvorming met een sub-nanometerresolutie.

Om een ​​ruimtelijke resolutie van sub-nanometer te bereiken, de grootte van de tip en de afstand tussen de tip en het monster moeten op een schaal van minder dan nanometer liggen.

De onderzoekers realiseerden verder submoleculair opgeloste fotoluminescentie hyperspectrale beeldvorming met spectrale informatie, en demonstreerde de effecten van lokale plasmon-exciton interactie op de fluorescentie-intensiteit, piekpositie en piekbreedte op de sub-nanometerschaal.

Dit onderzoek heeft het langverwachte doel bereikt om licht te gebruiken om de interne structuur van moleculen in SNOM te analyseren, en leverde een nieuwe technische methode op voor het detecteren en moduleren van de gelokaliseerde omgeving van moleculen en interacties tussen licht en materie op sub-nanometerschaal.

De recensenten van Natuurfotonica zeggen dat dit artikel een belangrijk artikel zal zijn in zijn vakgebied, die leidende betekenis heeft voor het uitvoeren van ultragevoelig spectroscopisch microscopie-onderzoek met licht op atomaire schaal.