Detaillering van de moleculaire samenstelling van materialen - van zonnecellen tot organische lichtemitterende diodes (LED's) en transistors, en medisch belangrijke eiwitten - is niet altijd een kristalhelder proces.

Om te begrijpen hoe materialen werken op deze microscopisch kleine schaal, en om materialen beter te ontwerpen om hun functie te verbeteren, het is noodzakelijk om niet alleen alles te weten over hun samenstelling, maar ook over hun moleculaire rangschikking en microscopische onvolkomenheden.

Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy heeft infraroodbeeldvorming aangetoond van een organische halfgeleider die bekend staat om zijn elektronische mogelijkheden, het onthullen van belangrijke details op nanoschaal over de aard van de kristalvormen en -oriëntaties, en gebreken die ook van invloed zijn op de prestaties.

Om deze beelddoorbraak te realiseren, onderzoekers van Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS) en de University of Colorado-Boulder (CU-Boulder) combineerden de kracht van infrarood licht van de ALS en infrarood licht van een laser met een hulpmiddel dat bekend staat als een atoomkrachtmicroscoop. de ALS, een synchrotron, produceert licht in een reeks golflengten of "kleuren" - van infrarood tot röntgenstralen - door elektronenstralen te versnellen met de snelheid van het licht rond bochten.

De onderzoekers richtten beide bronnen van infrarood licht op de punt van de atoomkrachtmicroscoop, die een beetje werkt als een naald van een platenspeler - hij beweegt over het oppervlak van een materiaal en meet de subtielste oppervlaktekenmerken terwijl deze omhoog en omlaag gaat.

De techniek, gedetailleerd in een recente editie van het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang , stelt onderzoekers in staat om het infraroodlicht af te stemmen op specifieke chemische bindingen en hun rangschikking in een monster, gedetailleerde kristalkenmerken tonen, en verken de chemische omgeving op nanoschaal in monsters.

"Onze techniek is breed toepasbaar, "Zei Hans Bechtel, een ALS-wetenschapper. "Je zou dit voor veel soorten materiaal kunnen gebruiken - de enige beperking is dat het relatief vlak moet zijn", zodat de punt van de atoomkrachtmicroscoop over zijn pieken en dalen kan bewegen.

Markus Raschke, een CU-Boulder-professor die de beeldvormingstechniek ontwikkelde met Eric Muller, een postdoctoraal onderzoeker in zijn groep, zei, "Als je de moleculaire samenstelling en oriëntatie in deze organische materialen kent, kun je hun eigenschappen op een veel eenvoudigere manier optimaliseren.

"Dit werk informeert materiaalontwerp. De gevoeligheid van deze techniek gaat van gemiddeld miljoenen moleculen tot een paar honderd, en de beeldresolutie gaat van de micronschaal (miljoensten van een inch) naar de nanoschaal (miljardsten van een inch), " hij zei.

Het infraroodlicht van de synchrotron zorgde voor de essentiële brede band van het infraroodspectrum, waardoor het tegelijkertijd gevoelig is voor bindingen van veel verschillende chemicaliën en ook de moleculaire oriëntatie van het monster geeft. De conventionele infrarood laser, met zijn hoog vermogen en toch smal bereik van infrarood licht, In de tussentijd, stelden onderzoekers in staat om in te zoomen op specifieke bindingen om zeer gedetailleerde beeldvorming te verkrijgen.

"Noch de ALS-synchrotron, noch de laser alleen zouden ons dit niveau van microscopisch inzicht hebben gegeven, "Raschke zei, terwijl de combinatie van de twee een krachtige sonde opleverde "groter dan de som der delen".

Raschke onderzocht tien jaar geleden voor het eerst op synchrotron gebaseerde infrarood nanospectroscopie met behulp van de BESSY synchrotron in Berlijn. Met zijn hulp en die van ALS-wetenschappers Michael Martin en Bechtel, de ALS in 2014 werd de eerste synchrotron die infraroodbeeldvorming op nanoschaal bood aan bezoekende wetenschappers.

De techniek is bijzonder nuttig voor de studie en het begrip van zogenaamde "functionele materialen" die speciale fotonische, elektronisch, of energieconversie- of energieopslageigenschappen, hij merkte.

In principe, hij voegde toe, de nieuwe vooruitgang bij het bepalen van de moleculaire oriëntatie zou kunnen worden aangepast aan biologische studies van eiwitten. "Moleculaire oriëntatie is van cruciaal belang bij het bepalen van de biologische functie, " zei Raschke. De oriëntatie van moleculen bepaalt hoe energie en lading van celmembranen naar moleculaire zonne-energieconversiematerialen stromen.

Bechtel zei dat de infraroodtechniek beeldresolutie tot ongeveer 10-20 nanometer mogelijk maakt, die functies tot 50 kan oplossen, 000 keer kleiner dan een zandkorrel.

De beeldvormingstechniek die in deze experimenten wordt gebruikt, bekend als "verstrooiingstype scanning near-field optische microscopie, " of s-SNOM, gebruikt in wezen de punt van de atomic force-microscoop als een ultragevoelige antenne, die gefocust infrarood licht uitzendt en ontvangt in het gebied van de toppunt. Kapot licht, gevangen vanaf de punt terwijl deze over het monster beweegt, wordt opgenomen door een detector om beelden met een hoge resolutie te produceren.

"Het is niet-invasief, en het geeft informatie over moleculaire trillingen, " terwijl de punt van de microscoop over het monster beweegt, aldus Bechtel. Onderzoekers gebruikten de techniek om de kristallijne kenmerken te bestuderen van een organisch halfgeleidermateriaal dat bekend staat als PTCDA (peryleentetracarbonzuurdianhydride).

Onderzoekers meldden dat ze defecten in de oriëntatie van de kristalstructuur van het materiaal hebben waargenomen die een nieuw begrip van het groeimechanisme van de kristallen bieden en kunnen helpen bij het ontwerpen van moleculaire apparaten die dit materiaal gebruiken.

De nieuwe beeldvormingscapaciteit vormt de basis voor een nieuw National Science Foundation Center, eind september aangekondigd, dat CU-Boulder verbindt met Berkeley Lab, UC Berkeley, Internationale Universiteit van Florida, UC Irvine, en Fort Lewis College in Durango, Colo. Het centrum zal een reeks microscopische beeldvormingsmethoden combineren, inclusief degenen die elektronen gebruiken, Röntgenstralen, en licht, over een breed scala aan disciplines.

Dit centrum, genaamd STROBE voor Science and Technology Center on Real-Time Functional Imaging, zal worden geleid door Margaret Murnane, een vooraanstaande professor aan CU-Boulder, met Raschke als co-lead.

Bij Berkeley Lab, STROBE wordt bediend door een reeks ALS-mogelijkheden, inclusief de infraroodbundellijnen beheerd door Bechtel en Martin en een nieuwe bundellijn genaamd COSMIC (voor "coherente verstrooiing en microscopie"). Het zal ook profiteren van door Berkeley Lab ontwikkelde tools voor gegevensanalyse.