Wetenschappers combineren bestaande technologieën om nieuwe ultrasnelle elektronenmicroscoop te bouwen

Experimentele opstelling voor voorbijgaande EELS in de TR-TEM en het pomp-sondesysteem. De inzetstukken tonen vergrote schematische illustraties van de positie van het monster en een scanning transmissie-elektronenmicroscoop (STEM) afbeelding in de TR-TEM. Credit: Technische Natuurkunde Brieven (2022). DOI: 10.1063/5.0108266

Met behulp van een unieke combinatietechnologie heeft een team van onderzoekers van de Nagoya University in Japan de mechanismen van de licht-materie-interactie in nanomaterialen op het kleinste en snelste niveau geanalyseerd.

Nanomaterialen, materialen op nanoschaal tussen 1 en 100 nm, worden steeds belangrijker in zowel de industrie als het dagelijks leven. Hun buitengewoon kleine formaat geeft ze unieke eigenschappen die niet worden gevonden in grotere materialen. Deze eigenschappen zijn ook specifiek voor de aard en omgeving van het materiaal. Om de bibliotheek van nanomaterialen die effectief, veilig en duurzaam kunnen worden toegepast in producten en productieprocessen uit te breiden, hebben we een dieper begrip nodig van zelfs de kleinste gebeurtenissen die op en in de nanodeeltjes plaatsvinden.

Om nanomaterialen te meten, gebruiken wetenschappers een deelgebied van de metrologie dat bekend staat als nanometrologie. Nanometrologie meet lengteschalen op nanoschaal. Om dit enige context te geven: een mensenhaar is ongeveer 100.000 keer breder. Wanneer deeltjes zo klein zijn, moeten wetenschappers ook gebeurtenissen meten die plaatsvinden in slechts fracties van een seconde. Een fenomeen dat foto-excitatie wordt genoemd, vindt bijvoorbeeld normaal gesproken plaats in picoseconden, of een biljoenste van een seconde. Gespecialiseerde apparaten zijn daarom nodig om deze bijna onmiddellijke gebeurtenissen te meten.

Een onderzoeksgroep onder leiding van faculteitsleden van de Nagoya University, universitair hoofddocent Makoto Kuwahara van het Institute of Materials and Systems for Sustainability (IMaSS) en Lira Mizuno, Rina Yokoi en Hideo Morishita van de Graduate School of Engineering, onderzocht of ze dergelijke foto-excitatie konden bestuderen processen die plaatsvinden op enkele nanodeeltjes.

In samenwerking met senior onderzoekers van Hitachi Hightech Ltd. ontwikkelden ze een ultrasnelle elektronenmicroscoop door een halfgeleider fotokathode te combineren met een ‘Negative Electron Affinity’-oppervlak, ontwikkeld door Nagoya University, met een algemene elektronenmicroscoop. Met de resulterende microscoop die is gemaakt door deze technologieën te combineren, kunnen we gebeurtenissen op nanoschaal observeren. De onderzoekers publiceerden hun bevindingen in Technische Natuurkunde Brieven.

Voor de nanodeeltjes gebruikte de groep chemisch gesynthetiseerde gouden nanodriehoeken. Goud is geschikt voor dergelijke experimenten omdat het een edelmetaal is. Dit betekent dat het stabiel is onder verschillende omstandigheden. Elektronen in gouden nanodeeltjes vertonen een fenomeen dat ‘plasmonresonantie’ wordt genoemd.

Wanneer een gouden nanodeeltje foto-excitatie ondergaat met een specifieke golflengte van licht, beginnen de elektronen in het nanodeeltje te bewegen of te oscilleren. Dit intensiveert het licht en verandert het gouden nanodeeltje in een heldere antenne. Om deze reden worden oppervlakteplasmonen op goud regelmatig gebruikt voor detectietoepassingen en zijn ze van groot belang bij energieconversie.

De plasmonen in gouden nanodeeltjes kunnen worden gefoto-exciteerd met behulp van de ultrasnelle laser in de nieuwe, op maat gemaakte ultrasnelle elektronenmicroscoop, terwijl wetenschappers tegelijkertijd enkele gouden nanodeeltjes kunnen observeren. De onderzoekers onderzochten twee verschillende plasmonfenomenen door hun nieuwe techniek toe te passen.

Ze observeerden eerst de relaxatie van de plasmonen op het oppervlak, wat een goed bestudeerd proces is. Dankzij hun nieuwe techniek konden ze echter ook de verandering in de plasmonen in de gouden nanodeeltjes zien, ook al bereikte het licht alleen het oppervlak van de nanodeeltjes.

Dit is de eerste keer dat een techniek het relaxatieproces van deze plasmonen in de gouden nanodeeltjes heeft onthuld, met belangrijke implicaties voor de voorbereiding van lichtoogstmaterialen voor energieconversie. De nieuw ontwikkelde techniek moet helpen bij het analyseren van potentiële materialen door ultrasnelle licht-materie-interacties bloot te leggen.

“Door fenomenen zoals foto-excitatie- en relaxatieprocessen en energietransport te begrijpen, kunnen we fotogevoelige eigenschappen verbeteren en de efficiëntie verhogen”, legt Kuwahara uit.

“Het kan met name een krachtig hulpmiddel zijn om individuele tijdsveranderingen in kleine structurele materialen vast te leggen met ruimtelijke resolutie (zoals die submicrometers overschrijden). Dit was moeilijk te bereiken met conventionele analytische methoden die gepulseerde lasers als sondes gebruiken,” hij ging verder.

“We verwachten dat deze prestatie de analyse mogelijk maakt van foto-elektrische en thermo-elektrische conversiematerialen en hun toegepaste apparaten die bijdragen aan energiebesparing. Ons onderzoek zou nuttig moeten zijn voor de ontwikkeling van lichtenergieconversie, biosensoren en thermo-elektrische conversieapparaten.”