Een MIT-fysicus heeft een nieuw instrument gebouwd dat interessant is voor MIT-onderzoekers in een breed scala aan disciplines, omdat het snel en relatief goedkoop een aantal belangrijke kenmerken van een materiaal op nanoschaal kan bepalen. Het is niet alleen in staat om de interne eigenschappen van een materiaal te bepalen, zoals hoe de elektrische of optische geleidbaarheid van dat materiaal verandert over buitengewoon korte afstanden, maar ook het visualiseren van individuele moleculen, zoals eiwitten.

"Modern materiaalonderzoek heeft enorm geprofiteerd van geavanceerde experimentele tools, " zegt Lange Ju, een assistent-professor bij de afdeling Natuurkunde. Ju is een expert op het gebied van een opkomend instrument dat nanoscopie - het vermogen om dingen op nanoschaal te zien - combineert met spectroscopie, die materialen onderzoekt door hun interacties met licht te onderzoeken.

Het gereedschap, bekend als een near-field infrarood nanoscoop en spectroscoop (het is ook bekend als een verstrooiing-type scanning nearfield optische microscoop, of s-SNOM), is in de handel verkrijgbaar. Echter, "het is nogal uitdagend voor nieuwe gebruikers, die de toepassingen van de techniek beperkt, " zegt Ju.

Dus bouwde de Ju-groep zijn eigen versie van de tool - de eerste s-SNOM aan het MIT - en voltooide in mei een tweede, meer geavanceerde versie met extra functies. Nu zijn beide instrumenten beschikbaar voor de MIT-gemeenschap, en de Ju-groep staat klaar om MIT-gebruikers te helpen en nieuwe functionaliteiten te ontwikkelen. Ju moedigt MIT-collega's aan om contact met hem op te nemen met mogelijke sollicitaties of vragen.

"Het is spannend omdat het een platform is dat kan, in principe, host veel verschillende materiaalsystemen en extraheer uit elk nieuwe informatie, " zegt Ju, die ook verbonden is aan het Materials Research Laboratory van MIT. "Het is ook een platform voor enkele van de knapste koppen ter wereld - MIT-onderzoekers - om dingen te bedenken die verder gaan dan wat kan worden gedaan op een standaard s-SNOM."

De nieuwe tool is gebaseerd op atomaire krachtmicroscopie (AFM), waarin een extreem scherpe metalen punt met een straal van slechts 20 nanometer, of miljardsten van een meter, wordt gescand over het oppervlak van een materiaal. AFM maakt een kaart van de fysieke kenmerken, of topografie, van een oppervlak, van zo'n hoge resolutie dat het "bergen" of "dalen" van minder dan een nanometer in hoogte of diepte kan identificeren.

Licht toevoegen

Ju voegt licht toe aan de vergelijking. Door een infraroodlaser op de AFM-tip te focussen, wordt die tip in een antenne "net als de antenne op een televisie die wordt gebruikt om signalen te ontvangen, "zegt hij. En dat, beurtelings, verbetert de interactie tussen het licht en het materiaal onder de punt aanzienlijk. Het terugverstrooide licht dat door die interacties wordt verzameld, kan worden geanalyseerd om veel meer over het oppervlak te onthullen dan mogelijk zou zijn met een conventionele AFM.

Het resultaat:"U kunt een afbeelding van uw monster krijgen met een drie ordes van grootte betere ruimtelijke resolutie dan die van conventionele infraroodmetingen, " zegt Ju. In eerder werk gerapporteerd in Natuur , hij en collega's publiceerden afbeeldingen van grafeen die zijn gemaakt met AFM en met de nieuwe tool. Er zijn gemeenschappelijke kenmerken tussen de twee, maar het near-field-beeld is bezaaid met heldere lijnen die niet zichtbaar zijn in het AFM-beeld. Het zijn domeinmuren, of de interfaces tussen twee verschillende secties van een materiaal. Die interfaces zijn essentieel om de structuur en eigenschappen van een materiaal te begrijpen.

Beelden van vergelijkbare details kunnen worden vastgelegd met transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), maar TEM heeft enkele nadelen. Bijvoorbeeld, het moet worden gebruikt in een ultrahoog vacuüm, en monsters moeten extreem dun zijn voor suspensie op een film of membraan. "De eerste beperkt de experimentele doorvoer, terwijl de laatste niet compatibel is met de meeste materialen, " zegt Ju.

In tegenstelling tot, de near-field nanoscope "kan in de lucht worden gebruikt, vereist geen schorsing van het monster, en u kunt werken op de meeste vaste ondergronden, "zegt Ju.

Veel toepassingen

Ju merkt op dat de near-field-tool niet alleen afbeeldingen met een hoge resolutie van hoogtes kan leveren; de analyse van terugverstrooid licht van de punt van de machine kan ook belangrijke informatie opleveren over de interne eigenschappen van een materiaal. Bijvoorbeeld, het kan metalen van isolatoren onderscheiden. Het kan ook onderscheid maken tussen materialen met dezelfde chemische samenstelling maar verschillende interne structuren (denk aan diamant versus potlood).

In een voorbeeld beschrijft hij als "bijzonder cool, " Ju zegt dat het instrument zelfs kan worden gebruikt om een ​​materiaalovergang van isolator naar supergeleider te bekijken als de temperatuur verandert. Het is ook in staat om chemische reacties op nanoschaal te volgen.

Ju merkt ook op dat de nieuwe tool op verschillende manieren voor verschillende doeleinden kan worden gebruikt. Bijvoorbeeld, hij zei, de punt van het gereedschap kan ofwel over een oppervlak worden gescand terwijl het wordt bestraald met een bepaalde golflengte van licht, of de tip kan over een bepaald gebied worden geparkeerd en worden onderzocht met licht van verschillende golflengten. Verschillende golflengten van licht werken verschillend samen met verschillende materialen, nog meer informatie geven over de samenstelling van een bepaald materiaal of andere kenmerken.

Ju, die in 2019 naar MIT kwam, vindt het geweldig om andere MIT-onderzoekers te ontmoeten die mogelijk toepassingen voor zijn machine hebben. "Het is spannend om met mensen uit verschillende onderzoeksgebieden te werken. Je kunt samenwerken om nieuwe ideeën op het scherpst van de snede te genereren."