Om de volgende generatie optische apparaten te ontwerpen, variërend van efficiënte zonnepanelen tot LED's tot optische transistors, ingenieurs hebben een driedimensionaal beeld nodig dat weergeeft hoe licht op nanoschaal interageert met deze objecten.

Helaas, de fysica van het licht heeft een wegversperring opgeworpen in traditionele beeldvormingstechnieken:hoe kleiner het object, hoe lager de resolutie van de afbeelding in 3D.

Nutsvoorzieningen, ingenieurs bij Stanford en het FOM-instituut AMOLF, een onderzoekslaboratorium in Nederland, een techniek hebben ontwikkeld die het mogelijk maakt om de optische eigenschappen te visualiseren van objecten die enkele duizenden malen groter zijn dan een zandkorrel, in 3D en met resolutie op nanometerschaal.

Het onderzoek wordt gedetailleerd beschreven in het huidige nummer van Natuur Nanotechnologie .

De techniek omvat een unieke combinatie van twee technologieën, kathodoluminescentie en tomografie, het genereren van 3D-kaarten van het optische landschap van objecten mogelijk maken, zei hoofdauteur Ashwin Atre, een afgestudeerde student in de labgroep van Jennifer Dionne, een assistent-professor materiaalkunde en techniek.

Het doelobject in dit proof-of-principle-experiment was een met goud beklede halve maan met een diameter van 250 nanometer - enkele honderden keren zo dun als een mensenhaar. Om de optische eigenschappen van de halve maan te bestuderen, ze beeldden het eerst af met behulp van een aangepaste scanning-elektronenmicroscoop. Terwijl de gefocusseerde elektronenstraal door het object ging, het prikkelde de halve maan energetisch, waardoor het fotonen uitzendt, een proces dat bekend staat als kathodoluminescentie.

Zowel de intensiteit als de golflengte van de uitgezonden fotonen hing af van welk deel van het object de elektronenbundel werd geëxciteerd, zei Atre. Bijvoorbeeld, de gouden schil aan de basis van het object straalde fotonen uit met kortere golflengten dan toen de straal langs de opening aan de uiteinden van de halve maan passeerde.

Door de straal heen en weer te scannen over het object, de ingenieurs creëerden een 2D-beeld van deze optische eigenschappen. Elke pixel in deze afbeelding bevatte ook informatie over de golflengte van uitgezonden fotonen over zichtbare en nabij-infrarode golflengten. Deze 2-D kathodoluminescentie spectrale beeldvormingstechniek, ontwikkeld door het AMOLF-team, onthulde de karakteristieke manieren waarop licht interageert met dit object op nanometerschaal.

"Het interpreteren van een 2D-beeld, echter, kan behoorlijk beperkend zijn, ' zei Atre. 'Het is alsof je iemand probeert te herkennen aan zijn schaduw. Dat wilden we met ons werk echt verbeteren."

Om de techniek naar de derde dimensie te duwen, de ingenieurs hebben de nanosikkel gekanteld en opnieuw gescand, het verzamelen van 2D-emissiegegevens onder een aantal hoeken, elk geeft een grotere specificiteit aan de locatie van het optische signaal.

Door tomografie te gebruiken om deze tilt-serie van 2D-beelden te combineren, vergelijkbaar met hoe 2D-röntgenbeelden van een menselijk lichaam aan elkaar worden genaaid om een ​​3D-CT-beeld te produceren, Atre en zijn collega's maakten een 3D-kaart van de optische eigenschappen van het object. Deze experimentele kaart onthult bronnen van lichtemissie in de structuur met een ruimtelijke resolutie in de orde van 10 nanometer.

Al decenia, technieken om licht-materie-interacties in beeld te brengen met subdiffractie-beperkte resolutie zijn beperkt tot 2D. "Dit werk kan een nieuw tijdperk van 3D optische beeldvorming mogelijk maken met ruimtelijke en spectrale resolutie op nanometerschaal, " zei Dionne, die een filiaal is van het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences bij SLAC.

De techniek kan worden gebruikt om veel systemen te onderzoeken waarin licht wordt uitgezonden bij elektronenexcitatie.

"Het heeft toepassingen voor het testen van verschillende soorten technische en natuurlijke materialen, " zei Atre. "Bijvoorbeeld, het kan worden gebruikt bij de productie van LED's om de manier waarop licht wordt uitgestraald te optimaliseren, of in zonnepanelen om de absorptie van licht door de actieve materialen te verbeteren."

De techniek kan zelfs worden aangepast voor het afbeelden van biologische systemen zonder dat er fluorescerende labels nodig zijn.