Iedereen die ooit in de Grand Canyon is geweest, kan zich voorstellen dat hij sterke gevoelens heeft omdat hij dicht bij een van de randen van de natuur is. evenzo, wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben ontdekt dat nanodeeltjes van goud zich ongewoon gedragen wanneer ze zich dicht bij de rand van een één-atoom dik vel koolstof bevinden, grafeen genoemd. Dit kan grote gevolgen hebben voor de ontwikkeling van nieuwe sensoren en kwantumapparaten.

Deze ontdekking werd mogelijk gemaakt met een nieuw opgerichte ultrasnelle elektronenmicroscoop (UEM) in Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. De UEM maakt de visualisatie en het onderzoek van fenomenen op nanoschaal en in tijdsbestekken van minder dan een biljoenste van een seconde mogelijk. Deze ontdekking zou een plons kunnen maken in het groeiende veld van plasmonica, waarbij licht een materieel oppervlak raakt en elektronengolven veroorzaakt, bekend als plasmonische velden.

Voor jaren, wetenschappers hebben de ontwikkeling van plasmonische apparaten nagestreefd met een breed scala aan toepassingen - van kwantuminformatieverwerking tot opto-elektronica (die op licht gebaseerde en elektronische componenten combineert) tot sensoren voor biologische en medische doeleinden. Om dit te doen, ze koppelen tweedimensionale materialen met een dikte op atomair niveau, zoals grafeen, met metaaldeeltjes van nanoformaat. Om het gecombineerde plasmonische gedrag van deze twee verschillende soorten materialen te begrijpen, moet je begrijpen hoe ze precies zijn gekoppeld.

In een recente studie van Argonne, onderzoekers gebruikten ultrasnelle elektronenmicroscopie om direct te kijken naar de koppeling tussen gouden nanodeeltjes en grafeen.

"Surface plasmons zijn door licht geïnduceerde elektronenoscillaties op het oppervlak van een nanodeeltje of op een grensvlak van een nanodeeltje en een ander materiaal, " zei Argonne nanowetenschapper Haihua Liu. "Als we een licht schijnen op het nanodeeltje, het creëert een kortstondig plasmonveld. De gepulseerde elektronen in onze UEM interageren met dit kortstondige veld wanneer de twee elkaar overlappen, en de elektronen winnen of verliezen energie. Vervolgens, we verzamelen die elektronen die energie winnen met behulp van een energiefilter om de plasmonische veldverdelingen rond het nanodeeltje in kaart te brengen."

Bij het bestuderen van de gouden nanodeeltjes, Liu en zijn collega's ontdekten een ongewoon fenomeen. Toen het nanodeeltje op een vlakke plaat grafeen zat, het plasmonveld was symmetrisch. Maar toen het nanodeeltje dicht bij een grafeenrand werd geplaatst, het plasmonveld concentreerde zich veel sterker nabij het randgebied.

"Het is een opmerkelijke nieuwe manier van denken over hoe we lading in de vorm van een plasmonisch veld en andere fenomenen kunnen manipuleren met behulp van licht op nanoschaal, " zei Liu. "Met ultrasnelle mogelijkheden, het is niet te zeggen wat we kunnen zien als we verschillende materialen en hun eigenschappen aanpassen."

Dit hele experimentele proces, van de stimulatie van het nanodeeltje tot de detectie van het plasmonveld, gebeurt in minder dan een paar honderd biljardsten van een seconde.

"De CNM is uniek in het huisvesten van een UEM die open staat voor gebruikerstoegang en in staat is om metingen te doen met een ruimtelijke resolutie van nanometer en een tijdresolutie van minder dan een picoseconde, "Zei CNM-directeur Ilke Arslan. "Het vermogen om dergelijke metingen in zo'n korte tijdspanne uit te voeren, opent het onderzoek naar een breed scala aan nieuwe fenomenen in niet-evenwichtstoestanden die we niet eerder hebben kunnen onderzoeken. We zijn verheugd om deze mogelijkheid te bieden aan de internationale gebruikersgemeenschap."

Het verkregen begrip met betrekking tot het koppelingsmechanisme van dit nanodeeltjes-grafeensysteem zou de sleutel moeten zijn voor de toekomstige ontwikkeling van opwindende nieuwe plasmonische apparaten.

Een paper gebaseerd op de studie, "Visualisatie van plasmonische koppelingen met behulp van ultrasnelle elektronenmicroscopie, " verscheen in de editie van 21 juni van Nano-letters . Naast Liu en Arslan, andere auteurs zijn onder meer Thomas Gage van Argonne, Richard Schaller en Stephen Gray. Prem Singh en Amit Jaiswal van het Indian Institute of Technology droegen ook bij, net als Jau Tang van Wuhan University en Sang Tae Park van IDES, Inc.