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 hebben wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) ontdekt dat nanodeeltjes van goud zich ongewoon gedragen wanneer ze zich dicht bij de rand van een één-atoom dik koolstofblad, grafeen genaamd, bevinden. 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 User Facility. 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 golven van elektronen veroorzaakt, bekend als plasmonische velden.
Wetenschappers streven al jaren naar de ontwikkeling van plasmonische apparaten 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, koppelen ze 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 precies begrijpen hoe ze zijn gekoppeld.
In een recente studie van Argonne gebruikten onderzoekers ultrasnelle elektronenmicroscopie om direct te kijken naar de koppeling tussen gouden nanodeeltjes en grafeen.
“Oppervlakteplasmonen zijn door licht geïnduceerde elektronenoscillaties op het oppervlak van een nanodeeltje of op een grensvlak van een nanodeeltje en een ander materiaal”, zegt Argonne nanowetenschapper Haihua Liu. “Wanneer we een licht op het nanodeeltje laten schijnen, creëert het een kortstondig plasmonisch veld. De gepulseerde elektronen in onze UEM interageren met dit kortstondige veld wanneer de twee elkaar overlappen, en de elektronen winnen of verliezen energie. Vervolgens verzamelen we 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 ontdekten Liu en zijn collega’s een ongewoon fenomeen. Toen het nanodeeltje op een vlakke plaat grafeen zat, was het plasmonische veld symmetrisch. Maar toen het nanodeeltje dicht bij een grafeenrand werd geplaatst, concentreerde het plasmonische veld zich veel sterker nabij het randgebied.
“Het is een opmerkelijke nieuwe manier van denken over hoe we lading kunnen manipuleren in de vorm van een plasmonisch veld en andere verschijnselen met behulp van licht op nanoschaal,” zei Liu. “Met ultrasnelle mogelijkheden is het niet te voorspellen 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, vindt plaats 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”, zegt CNM-directeur Ilke Arslan. “De mogelijkheid 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 zijn er nog andere auteurs, waaronder Thomas Gage van Argonne, Richard Schaller en Stephen Gray. Prem Singh en Amit Jaiswal van het Indian Institute of Technology droegen ook bij, evenals Jau Tang van Wuhan University en Sang Tae Park van IDES, Inc.
Haihua Liu et al, Visualisatie van plasmonische koppelingen met behulp van ultrasnelle elektronenmicroscopie, Nano-letters (2021). DOI: 10.1021/acs.nanolet.1c01824
Nano-letters
Geleverd door Argonne National Laboratory