Het zijn geen herhalingen van "The Jetsons", maar onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology hebben een nieuwe microscopietechniek ontwikkeld die een proces gebruikt dat vergelijkbaar is met hoe een oude buistelevisie een beeld produceert - kathodoluminescentie - om kenmerken op nanoschaal af te beelden. Door de beste eigenschappen van optische en scanning-elektronenmicroscopie te combineren, de snelle, veelzijdig, en de techniek met hoge resolutie stelt wetenschappers in staat om oppervlakte- en ondergrondse kenmerken te bekijken die mogelijk zo klein zijn als 10 nanometer.

De nieuwe microscopietechniek, beschreven in het journaal AIP-vooruitgang , gebruikt een elektronenstraal om een ​​speciaal ontworpen reeks kwantumdots op te wekken, waardoor ze laagenergetisch zichtbaar licht zeer dicht bij het oppervlak van het monster uitstralen, gebruikmakend van zogenaamde "near-field"-effecten van licht. Door de lokale effecten van dit uitgezonden licht te correleren met de positie van de elektronenbundel, ruimtelijke beelden van deze effecten kunnen worden gereconstrueerd met een resolutie op nanometerschaal.

De techniek omzeilt netjes twee problemen in microscopie op nanoschaal, de diffractielimiet die conventionele optische microscopen beperkt tot resoluties die niet beter zijn dan ongeveer de helft van de golflengte van het licht (dus ongeveer 250 nm voor groen licht), en de relatief hoge energieën en monstervoorbereidingsvereisten van elektronenmicroscopie die destructief zijn voor fragiele specimens zoals weefsel.

NIST-onderzoeker Nikolai Zhitenev, een mede-ontwikkelaar van de techniek, had een paar jaar geleden het idee om een ​​fosforcoating te gebruiken om licht te produceren voor optische beeldvorming in het nabije veld, maar destijds, er was geen fosfor beschikbaar dat dun genoeg was. Dikke fosforen zorgen ervoor dat het licht divergeert, waardoor de beeldresolutie ernstig wordt beperkt. Dit veranderde toen de NIST-onderzoekers samenwerkten met onderzoekers van een bedrijf dat hoogtechnologische en geoptimaliseerde kwantumstippen voor verlichtingstoepassingen bouwt. De kwantumstippen zouden mogelijk hetzelfde werk kunnen doen als een fosfor, en worden aangebracht in een coating die zowel homogeen als dik genoeg is om de gehele elektronenstraal te absorberen, terwijl het ook voldoende dun is zodat het geproduceerde licht niet ver naar het monster hoeft te reizen.

Uit de gezamenlijke inspanning bleek dat de kwantumstippen, die een uniek kern-schaalontwerp hebben, efficiënt geproduceerde fotonen met lage energie in het zichtbare spectrum wanneer ze worden geactiveerd met een bundel elektronen. Een potentiële dunne-film lichtbron in de hand, de groep ontwikkelde een depositieproces om ze aan specimens te binden als een film met een gecontroleerde dikte van ongeveer 50 nm.

Net zoals in een oude televisiebuis waar een elektronenstraal over een fosforscherm beweegt om beelden te creëren, de nieuwe techniek werkt door een elektronenbundel te scannen over een monster dat is bedekt met de kwantumstippen. De stippen absorberen de energie van de elektronen en zenden het uit als zichtbaar licht dat interageert met en doordringt in het oppervlak waarop het is aangebracht. Na interactie met het monster, de verstrooide fotonen worden verzameld met behulp van een dicht bij elkaar geplaatste fotodetector, waardoor een afbeelding kan worden geconstrueerd. De eerste demonstratie van de techniek werd gebruikt om de natuurlijke nanostructuur van de fotodetector zelf in beeld te brengen. Omdat zowel de lichtbron als de detector zich zo dicht bij het monster bevinden, de diffractielimiet is niet van toepassing, en veel kleinere objecten kunnen worden afgebeeld.

"In eerste instantie ons onderzoek werd gedreven door onze wens om te onderzoeken hoe inhomogeniteiten in de structuur van polykristallijne fotovoltaïsche cellen de omzetting van zonlicht in elektriciteit kunnen beïnvloeden en hoe deze apparaten kunnen worden verbeterd, " zegt Heayoung Yoon, de hoofdauteur van het artikel. "Maar we realiseerden ons al snel dat deze techniek ook kon worden aangepast aan andere onderzoeksregimes, met name beeldvorming voor biologische en cellulaire monsters, natte monsters, monsters met ruwe oppervlakken, evenals organische fotovoltaïsche energie. We willen deze techniek graag beschikbaar maken voor de bredere onderzoeksgemeenschap en de resultaten zien."