News

Afbeeldingen maken op de nanoschaal

Published on April 6, 2015
Onderzoekers van FOM-instituut AMOLF en Stanford University hebben een nieuwe methode ontwikkeld om driedimensionale afbeeldingen te maken van ultrakleine objecten. Ze combineerden daarvoor twee bestaande technieken: kathodoluminescentie en tomografie. Deze nieuwe methode is belangrijk voor de ontwikkeling van zonnecellen, leds en lasers op de nanometerschaal. De onderzoekers publiceerden de methode op 6 april 2015 in vaktijdschrift Nature Nanotechnology.
2015_credits AMOLF_Stanford_Tremani_lowres
Artistieke impressie van de bolvormige deeltjes van polystyreen met een gouden huls. Credits: AMOLF/Stanford/Tremani
Stap 1: kathodoluminescentie
Lasers, leds en zonnecellen danken hun bijzondere eigenschappen aan het feit dat ze licht genereren en manipuleren op een extreem kleine lengteschaal. Conventionele optische microscopen zijn echter niet nauwkeurig genoeg om licht op deze kleine schaal te bestuderen. Hun meetnauwkeurigheid wordt begrensd door een fundamentele fysische limiet: de zogenaamde diffractielimiet van ongeveer 250 nanometer (een nanometer is een miljoenste millimeter). De groep van Albert Polman bij AMOLF ontwikkelde een instrument waarmee afbeeldingen gemaakt kunnen worden met een nauwkeurigheid die veel verder gaat dan deze limiet. Dit zogenoemde kathodoluminescentie-instrument maakt een tweedimensionale afbeelding van het uitgezonden licht door met een elektronenstraal een materiaal af te tasten.

Stap 2: kathodoluminescentie en tomografie
Voor de ontwikkeling van de nieuwe methode gebruikten de onderzoekers het kathodoluminescentie-instrument om elektronen af te vuren op kleine bolvormige deeltjes van polystyreen met een gouden huls. Deze deeltjes met een diameter van 250 nanometer functioneren als een modelsysteem waarin diverse kleuren licht zijn opgesloten. De verkregen tweedimensionale afbeelding is vervolgens met tomografietechnieken gereconstrueerd: de gemeten ‘vlakken’ zijn opgestapeld tot driedimensionale modellen. Het team van AMOLF- en Stanford-onderzoekers slaagde er zo in afbeeldingen te maken van gekleurde hotspots met een veel betere resolutie dan de diffractielimiet.

Polman: “We werken al lang samen met Stanford University, en dit project is een kroon op onze samenwerking. We gebruiken de nieuwe techniek nu voor het ontwerpen van effici├źnte zonnecellen, en er liggen ook mogelijkheden voor nieuwe vormen van led-verlichtingstechnologie. Misschien dat het ook mogelijk wordt biologische systemen af te beelden.”

figuur a b c CL tomography crescent4
(a) Schets van het nanodeeltje met aan de binnenkant polystyreen (blauw) en aan de buitenkant een schil van goud. (b) Afbeelding van het deeltje met de elektronenmicroscoop. Rechtsboven aan de rand van de gouden schil is de polystyreen kern goed zichtbaar. (c) Kathodoluminescentie-tomogram bij verschillende golflengtes. Een blauwe optische hotspot is zichtbaar aan de onderkant van het centrale deel van het deeltje. Een rode hotspot bevindt zich vooral aan de bovenzijde.

 

Referentie
Nanoscale optical tomography with cathodoluminescence spectroscopy
A. Atre, B.J.M. Brenny, T. Coenen, A. Polman and J.A. Dionne, Nature Nanotech. 10, 2015, DOI: 10.1038/nnano.2015.39