Als nanowetenschap televisie was, we zouden in de jaren vijftig zijn. Hoewel wetenschappers objecten op nanoschaal kunnen maken en manipuleren met steeds meer geweldige controle, ze zijn beperkt tot zwart-witbeelden voor het onderzoeken van die objecten. Informatie over chemie op nanoschaal en interacties met licht - het atomaire microscopie-equivalent van kleur - is verleidelijk onbereikbaar voor iedereen behalve de meest volhardende onderzoekers.

Maar dat kan allemaal veranderen met de introductie van een nieuwe microscopie-tool van onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy (DOE) dat voortreffelijke chemische details levert met een resolutie die ooit voor onmogelijk werd gehouden. Het team ontwikkelde hun tool om de conversie van zonne-naar-elektrische energie op het meest fundamentele niveau te onderzoeken, maar hun uitvinding belooft nieuwe werelden van gegevens te onthullen aan onderzoekers in alle lagen van de nanowetenschap.

"We hebben een manier gevonden om de voordelen van scan-/sondemicroscopie te combineren met de voordelen van optische spectroscopie, " zegt Alex Weber-Bargioni, een wetenschapper bij de Molecular Foundry, een DOE nanoscience-centrum in Berkeley Lab. "Nu hebben we een middel om daadwerkelijk te kijken naar chemische en optische processen op nanoschaal waar ze plaatsvinden."

Weber-Bargioni is corresponderend auteur van een paper waarin dit onderzoek wordt gerapporteerd, gepubliceerd in Wetenschap . Het blad is getiteld, "Het in kaart brengen van heterogeniteit van lokale ladingsrecombinatie door multidimensionale nanospectroscopische beeldvorming." Co-auteur van het papier zijn Wei Bao, Mauro Meli, Frank Ogletree, Shaul Aloni, Jeffrey Bokor, Stephano Cabrini, Miquel Salmeron, Eli Jablonovitch, en James Schuck van Berkeley Lab; Marco Staffaroni van de Universiteit van Californië, Berkeley; Hyuck Choo van Caltech; en hun collega's in Italië, Nicolo Caselli, Francesco Riboli, Diederik Wiersma, en Francesca Intoni.

"Als je materialen wilt karakteriseren, met name nanomaterialen, de manier waarop het traditioneel wordt gedaan, is met elektronenmicroscopieën en scan/sondemicroscopieën, want die geven je echt high, subatomaire ruimtelijke resolutie, " zegt co-auteur James Schuck, een nano-optica-onderzoeker bij de Molecular Foundry. "Helaas, wat ze je niet geven is chemisch, informatie op moleculair niveau."

Voor chemische informatie, onderzoekers wenden zich meestal tot optische of vibrationele spectroscopie. De manier waarop een materiaal interageert met licht wordt voor een groot deel bepaald door zijn chemische samenstelling, maar voor nanowetenschap is het probleem met optische spectroscopie op relevante schalen de diffractielimiet, die zegt dat je licht niet kunt focussen op een plek kleiner dan ongeveer de helft van de golflengte, vanwege het golfkarakter van licht.

Om rond de diffractielimiet te komen, wetenschappers gebruiken "near-field" licht. In tegenstelling tot het licht dat we kunnen zien, nabij-veldlicht vervalt exponentieel weg van een object, moeilijk te meten maken, maar het bevat een zeer hoge resolutie - veel hoger dan normaal, verre veld licht.

zegt Schuk, "De echte uitdaging voor near-field optica, en een van de grote successen in dit document, is om een ​​apparaat te maken dat fungeert als een transducer van verre-veldlicht naar nabij-veldlicht. We kunnen het naar beneden drukken en zeer verbeterde lokale velden krijgen die kunnen interageren met materie. We kunnen dan alle fotonen verzamelen die door deze interactie worden verstrooid of uitgezonden, verzamel in het nabije veld met al deze ruimtelijke frequentie-informatie en zet het weer om in voortplanting, verre veld licht."

De truc voor die conversie is om oppervlakteplasmonen te gebruiken:collectieve oscillaties van elektronen die kunnen interageren met fotonen. Plasmonen op twee oppervlakken gescheiden door een kleine opening kunnen het optische veld in de opening verzamelen en versterken, een sterker signaal voor wetenschappers om te meten.

Onderzoekers hebben deze effecten uitgebuit om nabije-veldsondes te maken met een verscheidenheid aan geometrieën, maar de experimenten vereisen doorgaans nauwgezette optische uitlijning, last van achtergrondgeluiden, werken alleen voor smalle frequentiebereiken van licht en zijn beperkt tot zeer dunne monsters.

In dit laatste werk echter, de Berkeley Lab-onderzoekers overstegen deze beperkingen met een slim ontworpen nabije-veldsonde. Gefabriceerd op het uiteinde van een optische vezel, de sonde heeft een taps toelopende, vierzijdige punt. De onderzoekers noemden hun nieuwe gereedschap naar de campanile kerktoren waarop het lijkt, geïnspireerd door de historische klokkentoren op de campus van UC Berkeley. Twee van de zijkanten van de campanile zijn bedekt met goud en de twee goudlagen zijn aan de punt slechts enkele nanometers van elkaar gescheiden. De driedimensionale tapsheid stelt het apparaat in staat om licht van alle golflengten naar beneden te kanaliseren in een verbeterd veld aan de punt. De grootte van de opening bepaalt de resolutie.

In een gewone atoomkrachtmicroscoop (AFM), een scherpe metalen punt wordt in wezen over een monster gesleept om een ​​topologische kaart met resolutie op sub-nanoschaal te genereren. De resultaten kunnen voortreffelijk zijn, maar bevatten alleen ruimtelijke informatie en niets over de samenstelling of chemie van het monster.

Het vervangen van de gebruikelijke AFM-tip door een campanile-tip is alsof u van zwart-wit naar full colour gaat. Je kunt nog steeds de ruimtelijke kaart krijgen, maar nu is er een schat aan optische gegevens voor elke pixel op die kaart. Van optische spectra, wetenschappers kunnen atoom- en molecuulsoorten identificeren, en extraheer details over elektronische structuur.

"Dat is het mooie van deze tips, " zegt Schuck. "Je kunt ze gewoon op het uiteinde van een optische vezel leggen en dan is het net alsof je een gewone AFM gebruikt. Je hoeft geen super near-field jock meer te zijn om dit soort gegevens te krijgen."

Het team ontwikkelde hun nieuwe tool om indium-fosfide nanodraden te bestuderen. Deze nanodraden, met de bijna ideale band gap van 1,4 elektron-volt, zijn zeer geschikt om zonne-energie om te zetten in elektriciteit. De onderzoekers ontdekten dat de nanodraden niet de homogene objecten waren die eerder werden gedacht, maar had in plaats daarvan variërende opto-elektronische eigenschappen langs hun lengte, die de manier waarop zonlicht wordt omgezet in elektriciteit radicaal kunnen veranderen. Ze ontdekten ook dat fotoluminescentie, een indicatie van de relatie tussen licht en elektriciteit, was in sommige delen van een nanodraad zeven keer sterker dan in andere. Dit is de eerste keer dat iemand deze gebeurtenissen op zo'n kleine schaal heeft gemeten.

Weber-Bargioni zegt:"Dit soort details over indium-fosfide nanodraden zijn belangrijk, want als je deze zuignapjes wilt gebruiken voor fotokatalyse of een fotovoltaïsch materiaal, dan is de lengteschaal waarop we meten waar alles gebeurt. Deze informatie is echt belangrijk om te begrijpen hoe, bijvoorbeeld, de fabricage en oppervlaktebehandeling van nanodraden beïnvloedt deze ladingsrecombinatiesnelheden. Deze bepalen hoe efficiënt een zonne-apparaat fotonen kan omzetten in bruikbare elektronen."

Schuck voegt toe:"We realiseerden ons dat dit echt de optimale manier is om elk soort optisch experiment uit te voeren dat men op nanoschaal zou willen doen. Dus we gebruiken het voor beeldvorming en spectroscopie, maar we verwachten ook veel andere toepassingen."