Fig.1 (a) Schematische afbeelding van fotogeïnduceerde krachtmicroscopie. (b) (c) Foto-geïnduceerde krachtmicroscopiebeelden van een kwantumpunt gemeten met verschillende golflengten (600 nm, 520 nm). (d) Foto-geïnduceerde krachtprofielen voor de afbeeldingen. Dit weerspiegelt de elektronische energiestructuur die is ontworpen voor fotokatalyse. Krediet: Universiteit van Osaka
Een team van wetenschappers onder leiding van de afdeling Toegepaste Natuurkunde van de Universiteit van Osaka, de afdeling Natuurkunde en Elektronica van de Osaka Prefecture University en de afdeling Materiaalchemie van de Universiteit van Nagoya gebruikten foto-geïnduceerde krachtmicroscopie om de krachten in kaart te brengen die op kwantumstippen werken in drie dimensies. Door bronnen van ruis te elimineren, kon het team voor het eerst subnanometerprecisie bereiken, wat kan leiden tot nieuwe vooruitgang in fotokatalysatoren en optische pincetten.
Krachtvelden zijn niet de onzichtbare barrières van sciencefiction, maar zijn een reeks vectoren die de grootte en richting aangeven van krachten die in een gebied in de ruimte werken. Nanotechnologie, waarbij kleine apparaten zoals kwantumdots worden gemaakt en gemanipuleerd, gebruikt soms lasers om deze objecten optisch te vangen en te verplaatsen. Het vermogen om dergelijke kleine systemen te analyseren en te hanteren vereist echter een betere manier om de 3D-krachten die erop werken te visualiseren.
Nu heeft een team van onderzoekers van de Osaka University, Osaka Prefecture University en Nagoya University voor het eerst aangetoond hoe foto-geïnduceerde krachtmicroscopie kan worden gebruikt om 3D-krachtvelddiagrammen met subnanometerresolutie te verkrijgen. “We zijn erin geslaagd om het optische nabije veld van nanodeeltjes in beeld te brengen met behulp van een foto-geïnduceerde krachtmicroscoop. Deze meet de optische kracht tussen het monster en de sonde veroorzaakt door lichtbestraling”, zegt eerste auteur Junsuke Yamanishi.
Laserlicht werd gericht op een kwantumdot die onder een punt van een atoomkrachtmicroscopie was geplaatst. Door de stip ten opzichte van de punt te verplaatsen, kon de microscoop het 3D-foto-geïnduceerde krachtveld in kaart brengen. Het team was in staat om zo’n hoge mate van precisie te bereiken met behulp van een paar experimentele verbeteringen. Ze gebruikten ultravacuümomstandigheden om de krachtgevoeligheid te vergroten en gebruikten heterodyne frequentiemodulatie, waarbij twee andere frequenties worden gemengd, om de impact van thermische verwarming sterk te verminderen. “We hebben het fotothermische effect verminderd met deze unieke technologie en hebben voor het eerst een resolutie van minder dan één nanometer bereikt”, zegt senior auteur Yasuhiro Sugawara.
-
Fig.2 (a) Atoomkrachtmicroscopiebeeld van een kwantumstip. (b) Foto-geïnduceerd krachtmicroscopiebeeld bij 660 nm. (c) Foto-geïnduceerde krachtprofielen voor de afbeelding. Een ruimtelijke resolutie van minder dan 1 nm is verkregen. Krediet: Universiteit van Osaka
-
Fig. 3 (a) 3D-krachtveldtoewijzing van de foto-geïnduceerde kracht. (b) Experimenteel verkregen 3D-foto-geïnduceerde krachtveldkaart met behulp van de laser met een golflengte van 660 nm. Gekleurde pijlen geven de grootte en richting van de kracht in het vlak aan. De zwart-witte arcering geeft de grootte van de kracht in de hoogterichting aan. (c) Theoretisch berekende 3D-fotogeïnduceerde krachtveldkaart. De neiging om de resultaten van experimenten goed te verklaren is evident. Krediet: Universiteit van Osaka
Junsuke Yamanishi et al, Optical force mapping op de schaal van één nanometer, Natuurcommunicatie (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-24136-2
Natuurcommunicatie
Geleverd door de Universiteit van Osaka