Wetenschappers van de ITMO University hebben een silicium-goud nanodeeltje gebruikt dat door een pulslaser in de IR-band wordt geagiteerd als een effectieve bron van wit licht. Eén zo'n "nanobulb" was geïntegreerd in een standaard sondemicroscoop, waardoor de onderzoekers de diffractielimiet konden overwinnen en objecten met een subgolflengte konden onderzoeken. De nieuwe technologie maakt moderne near-field microscopie goedkoper en eenvoudiger, en is potentieel nuttig in de geneeskunde. De studie is gepubliceerd in Nano-letters .

Om een ​​object te onderzoeken met een gewone optische microscoop, visueel licht wordt gefocust met behulp van speciale lenzen. Echter, als het object kleiner is dan een golflengte, het kan niet in detail worden waargenomen. Dit wordt de diffractielimiet genoemd. Er zijn tegenwoordig verschillende technologieën die deze limiet kunnen overwinnen. Bij optische microscopie in het nabije veld, het elektromagnetische veld van het object wordt in het nabije veld gemeten met een speciale sonde die kan interageren met het gelokaliseerde elektromagnetische veld en het kan verspreiden in het gebied waar het kan worden geregistreerd door gewone detectoren. Maar om informatie te krijgen over een object met een subgolflengte-resolutie in een breed spectrum, onderzoekers besteden vaak uren aan het scannen op verschillende golflengten totdat ze het hele spectrum bestrijken.

Onderzoekers van de ITMO University hebben dit probleem opgelost door een zogenaamde "nanobulb, " een miniatuur lichtbron gebaseerd op een silicium-en-goud nanodeeltje. Het belangrijkste kenmerk is dat het licht uitzendt in een immens brede golflengteband, van 400 tot 1, 000 nm. Een enkele nanobulb kan tegelijkertijd de optische respons van allerlei subgolflengtenanostructuren in het hele zichtbare spectrum registreren en analyseren. Dit verhoogt de efficiëntie en snelheid van microscopie met meerdere malen.

Om de nanobol te maken, wetenschappers van de afdeling Nanofotonica en Metamaterialen hebben een silicium-en-gouden nanodeeltje geprint. Om het fotonen te laten uitzenden, de onderzoekers verlichtten het met een femtoseconde IR-laser. Elektronen bereikten eerst hogere energieniveaus, en vervolgens naar de onderkant van de siliciumgeleidingsband geschoven, fotonen uitzenden op verschillende golflengten.

"Silicium, een niet-direct-gap halfgeleider, is een slecht materiaal voor het genereren van emissies. Met andere woorden, als je het met een laser aansteekt, het zal misschien een miljoen fotonen absorberen en er slechts één uitzenden. Nog, het is erg goedkoop - je kunt het letterlijk van zand maken. Dit is de reden waarom de mensheid ernaar streeft om er zoveel mogelijk toepassingen voor te vinden in fotovoltaïsche, micro-elektronica en andere gebieden. We hebben een zeer onverwachte toepassing gevonden, het belangrijkste nadeel ervan gebruiken - de indirecte band-gap - om een ​​​​bron van wit licht van nanogrootte te creëren die fotonen met een energie van 3,4 tot 1,1 eV kan uitzenden, " zegt Sergei Makarov, senior research associate bij de afdeling Nanophotonics and Metamaterials.

"Aanvullend, op de grens van goud en silicium, er ontstaan ​​grensvlakken die zorgen voor een nog betere stralingsrecombinatie van elektronen. Veel fysieke mechanismen die we nog moeten onderzoeken, zijn hier aan het werk, dus er is veel theoretisch werk dat we moeten doen om onze nanobol te verbeteren, inclusief het maken van een emissiemodel, " zegt Ivan Sinev, doctoraat student aan de ITMO Universiteit.

Hij merkt op dat een ander positief kenmerk van de nanobulb is dat het een IR-bandlaser gebruikt om zichtbaar licht te genereren. Dit betekent dat extra "ruis" in het optische signaal kan worden verwijderd door het gedissipeerde IR-licht te filteren, wat de effectiviteit verbetert waarmee het daadwerkelijke signaal wordt geregistreerd.

Op voorstel van Anton Samusev, onderzoeksmedewerker aan de ITMO University, de nanobulb werd op een gewone sonde van een atoomkrachtmicroscoop geplaatst met behulp van een methode die is ontwikkeld door Ivan Mukhin en Filipp Komissarenko van de afdeling Nanofotonica en Metamaterialen. Met de sonde konden de onderzoekers de bron van zichtbaar licht dichtbij het testmateriaal brengen, wat de interactie van de nabije velden enorm versterkte.

Het signaal van deze emissie wordt met een gewone spectrometer geregistreerd en op een spectrum gescheiden. Dus, een nanobol kan worden geïntegreerd in standaard microscopische apparatuur. Het kan aan elke sonde worden bevestigd en worden gebruikt om zijn signalen op te nemen met gewone fotodetectoren - en dat alles terwijl het informatie ontvangt over het nabije veld van een nano-object in de gehele zichtbare spectrumband. Dus, silicium-goud nanodeeltjes zouden microscopie flexibeler en goedkoper kunnen maken.

"We ontwikkelen ook een idee om de nanobulb als nanolaser te gebruiken. Als we zo'n deeltje in een resonator plaatsen die de werkingslengte van de golf kan veranderen, we kunnen eindigen met een afstembare laser, een die kan functioneren op elke ingestelde golflengte in het zichtbare spectrum. Aanvullend, de nanobulb kan ook worden gebruikt in de biologie voor doeleinden zoals het verlichten van cellen en het detecteren van stoffen die gevoelig zijn voor bepaalde golflengten, ", voegt Sinev eraan toe.