Wanneer moleculen worden aangeslagen, ze kunnen aanleiding geven tot een verscheidenheid aan energieomzettingsverschijnselen, zoals lichtemissie en foto-elektrische of fotochemische conversie. Om nieuwe energieconversiefuncties in organische materialen te ontsluiten, onderzoekers moeten de aard van de aangeslagen toestand van een materiaal kunnen begrijpen en beheersen.

Tot dusver, veel wetenschappers hebben spectroscopietechnieken op basis van laserlicht gebruikt in onderzoek gericht op aangeslagen toestanden. Niettemin, ze konden geen laserlicht gebruiken om materialen op nanoschaal te onderzoeken, vanwege de beperkingen in zogenaamde diffractie. De spectroscopische meetmethoden die worden toegepast op elektronen- en scanningsondemicroscopen die stoffen kunnen waarnemen met atomaire resoluties, anderzijds, zijn nog onderontwikkeld.

Onderzoekers van RIKEN, het Japans Agentschap voor Wetenschap en Technologie (JST), De Universiteit van Tokio en andere instituten in Japan hebben onlangs een laser-nanospectroscopietechniek ontwikkeld die kan worden gebruikt om individuele moleculen te onderzoeken. Deze techniek, gepresenteerd in een paper gepubliceerd in Wetenschap , nieuwe mogelijkheden zou kunnen bieden voor de ontwikkeling van verschillende nieuwe technologieën, inclusief light-emitting diodes (LED's), fotovoltaïsche en fotosynthetische cellen.

"Het is erg moeilijk om stoffen op atomair niveau te observeren en direct de eigenschappen van de aangeslagen toestand van de stoffen te onderzoeken, dat een van de obstakels is geweest in het onderzoek naar energieconversie, "Hiroshi Imada, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Bij dit onderzoek we combineren scanning tunneling microscopie (STM) met een laserspectroscopie om tegelijkertijd een hoge ruimtelijke en energieresolutie te bereiken, en daarmee konden we de aard van moleculen met ongekende precisie onthullen."

De techniek die door Imada en zijn collega's is ontwikkeld, maakt gebruik van laserlicht om het elektromagnetische veld van een gelokaliseerd plasmon, gevormd in de opening op nanoschaal tussen de STM-tip en het metalen substraat, aan te sturen met een goed gedefinieerde frequentie die wordt bepaald door de laserenergie. De laterale afmeting van het plasmonveld is ongeveer 2 nm in diameter en twee ordes van grootte kleiner dan de minimale lichtvlek in conventionele optica. Dit veld dient als een monochromatische nanoschaal, afstembare en mobiele excitatiebron.

"Het belangrijkste punt in ons onderzoek is dat de frequentie van het aangedreven plasmon kan worden afgesteld door het extern instralende laserlicht af te stemmen, " zei Imada. "Het plasmonische veld dat precies is afgestemd op de moleculaire resonantie bleek zeer effectief te zijn om het enkele molecuul te exciteren onder de STM-waarneming, waardoor we nanospectroscopie konden uitvoeren met micro-elektronvolt-energieresolutie."

Hoewel de door Imada en zijn collega's ontwikkelde techniek gebaseerd is op fundamentele spectroscopiemethoden, het zou mogelijk nieuwe onderzoeksmogelijkheden op het gebied van nanowetenschap kunnen openen. In feite, in tegenstelling tot conventionele STM-spectroscopietechnieken, hun methode maakt geen gebruik van tunneling-elektronen en lijkt meer op conventionele laserspectroscopie.

"We hebben bewezen dat het plasmonveld een laservlek op nanoschaal kan zijn met een spotgrootte van 1/100, " zei Imada. "We verwachten dat vele soorten laserspectroscopie kunnen worden gerealiseerd met de extreme ruimtelijke resolutie op basis van onze experimentele opstelling, gewoon door nieuwe lichtbronnen te introduceren zoals korte-puls laser, frequentie kam, gesynchroniseerde twee-pulsen, enzovoort.

In de toekomst, de door dit team van onderzoekers geïntroduceerde techniek zou kunnen helpen om specifiek ontworpen energieomzettende functies in organische materialen te ontsluiten, door wetenschappers in staat te stellen de energieniveaus van moleculaire systemen af ​​te stemmen. In de tussentijd, de onderzoekers zijn van plan om te werken aan een in de tijd opgeloste versie van hun techniek.

"Het is bekend dat er een wisselwerking is tussen tijdresolutie en energieresolutie, maar informatie over tijdschaal en energieniveaus zijn beide erg belangrijk om het dynamische proces dat plaatsvindt in de aangeslagen toestand correct te begrijpen, " zei Imada. "We zijn van plan om ultrasnelle nanospectroscopie te ontwikkelen die compatibel is met de precieze nanospectroscopie die hier is ontwikkeld om een ​​revolutie teweeg te brengen in het begrip van energieconversie in moleculaire systemen."

© 2021 Science X Network