Nieuwe microscopietechnieken

Onderzoekers in de Nanoscale Solar Cells groep van groepsleider Erik Garnett publiceerden recentelijk onderzoeken in de tijdschriften Nature Communications en Nanoscale. In beide publicaties demonstreren ze nieuwe microscopietechnieken voor het onderzoek naar de eigenschappen van  structuren op de nanoschaal.

Het meten van 3D-structuren
In samenwerking met het bedrijf FEI ontwikkelden de onderzoekers een techniek die het mogelijk maakt snel en eenvoudig een 3D-structuur van een object te onderzoeken. Om deze nieuwe techniek in te zetten heeft de gebruiker alleen een rasterelektronenmicroscoop nodig, een microscoop die tegenwoordig in bijna alle laboratoria te vinden is. Voorbeelden van structuren die onderzocht kunnen worden zijn nanodeeltjes met een coating, dunne film met gaten en stapelingen van complexe structuren.

De werkwijze die tot nu toe werd gehanteerd om zulke structuren te onderzoeken kent diverse beperkingen. Zo moet het monster extreem dun zijn (duizend maal dunner dan een vel papier) om transparant te zijn voor de elektronen tijdens het imaging proces. Of het monster wordt in dunne plakken gesneden met een straal van gefocusseerde ionen en ‘overleeft’ de behandeling niet. De onderzoekers leveren met de nieuwe techniek een oplossing voor beide beperkingen. Ze maken eerst een serie afbeeldingen waarin de elektronenbundel steeds een andere energie heeft. Het energieniveau bepaalt hoe diep de elektronen in het materiaal doordringen. Vervolgens gebruiken de onderzoekers een algoritme om de kluwen aan informatie in deze serie te ordenen, met als resultaat een volledige 3D-reconstructie van de structuur. Het is mogelijk deze 3D-reconstructie nader te onderzoeken door een dwarsdoorsnede te nemen of plakken te snijden zonder het monster zelf te beschadigen. Zelfs structuren op dikke substraten komen in aanmerking voor deze behandeling.

Referentie
Michiel de Goede, Eric Johlin, Beniamino Sciacca, Faysal Boughorbel, and Erik C. Garnett. 3D multi-energy electron microscopy. Nanoscale, DOI: 10.1039/C6NR07991A, (2016).

Bijschrift: een visuele weergave van het 3D reconstructieproces.

Interactie met licht
Onderzoekers in de nanofotonica en systeem biofysica afdelingen van AMOLF werkten samen aan een nieuw type superresolutie fluorescentie microscopie, waarmee ze de interactie tussen licht en siliconen nanodraden kunnen meten. Nanodraden zijn extreem klein (meer dan duizend maal dunner dan een haar) en reageren sterk op het invallende licht. Dit leidt vaak tot verrassende effecten die niet plaatsvinden op grotere lengteschalen. Zo kunnen nanodraden meer licht absorberen dan je op basis van hun afmeting zou verwachten, door licht als het ware op te zuigen. Nanodraden kunnen ook de lichtemissie sturen en vergroten. Ze zijn daarom veelbelovende bouwstenen voor duurzame toekomstige zonnecellen en lichtbronnen, maar het visualiseren van deze interessante interacties was nog niet direct mogelijk.

De basis voor de nieuwe microscopietechniek komt uit de biologie waar onderzoekers fluorescente moleculen gebruiken als informatiebron. Door deze techniek aan te passen kunnen de onderzoekers nu een hoge resolutie afbeelding produceren van de interactie tussen licht en nanodraden. Zo maken ze nuttige optische verschijnselen, zoals het sturen, omleiden en versterken van lichtemissie zichtbaar en meetbaar. Het onderzoek biedt ook kansen voor toekomstig onderzoek naar de interactie tussen licht en materialen.

Referentie
Eric Johlin, Jacopo Solari, Sander A. Mann, Jia Wang, Thomas S. Shimizu and Erik C. Garnett. Super-resolution imaging of light-matter interactions near single semiconductor nanowires. Nature Communications, DOI: 10.1038/ncomms13950, (2016).

Bijschrift: De afbeelding wordt gemaakt in een oplossing van fluorescente moleculen. Door ieder molecuul afzonderlijk te bekijken is de sterkte van de lichtinteractie zichtbaar. De afzonderlijke verschijnselen, zoals het sturen en versterken van licht zijn dankzij computerberekeningen goed te zien.