Schema del set-up sperimentale per l'imaging di fotoluminescenza a singola molecola con risoluzione sub-nanometrica. Credito:Yang Ben, Huang Wen et al.
Il Prof. Dong Zhenchao e il Prof. Hou Jianguo dell'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina (USTC) dell'Accademia Cinese delle Scienze (CAS) hanno migliorato la risoluzione spaziale da 8 nm a ~8 Å dell'imaging fotoluminescente. Questo ha realizzato per la prima volta una risoluzione submolecolare con l'imaging a fotofluorescenza a singola molecola.
Questo studio è stato pubblicato in Fotonica della natura il 10 agosto.
Raggiungere la risoluzione atomica con la luce è sempre stato uno degli obiettivi finali della nano-ottica, e l'avvento della microscopia ottica a scansione in campo vicino (SNOM) ha acceso le speranze per questo obiettivo.
Il prof. Dong e i suoi colleghi hanno dimostrato con successo la risoluzione spaziale su scala sub-nanometrica nell'imaging di spettroscopia Raman a singola molecola con effetto di potenziamento locale di un campo plasmonico di nanocavità in uno studio nel 2013.
Però, a differenza del processo di dispersione Raman, la fluorescenza sarà spenta nelle immediate vicinanze dei metalli che bloccano lo sviluppo della risoluzione di SNOM a circa 10 nm.
Le proprietà di radiazione (fluorescenza) delle molecole nella nanocavità metallica sono direttamente influenzate dalla densità di fotoni della nanocavità, e la densità di fotoni della nanocavità è strettamente correlata alla struttura della punta della sonda. Perciò, è fondamentale modificare la struttura della sonda e lo stato elettronico delle molecole nella nanocavità per evitare l'estinzione della fluorescenza e ottenere immagini di fotofluorescenza ad alta risoluzione.
Il team di Dong ha ulteriormente perfezionato la nanocavità plasmonica, specialmente nella fabbricazione e nel controllo della struttura a livello atomico della punta della sonda. Hanno costruito un apice della punta in Ag con una sporgenza atomica e hanno abbinato la risonanza plasmonica della nanocavità con l'energia effettiva del laser incidente e la luminescenza molecolare.
Quindi, i ricercatori hanno utilizzato uno strato dielettrico ultrasottile (NaCl spesso tre atomi) per isolare il trasferimento di carica tra le molecole di nanocavità e il substrato metallico, ottenere una risoluzione sub-nanometrica dell'imaging fotoluminescente a singola molecola.
Hanno scoperto che con la sonda che si avvicina alla molecola, anche se la loro distanza è inferiore a 1 nm, l'intensità della fotoluminescenza continua ad aumentare in modo monotono. E l'estinzione della fluorescenza scompare completamente.
Le simulazioni teoriche hanno mostrato che quando la punta di protrusione atomistica e il substrato metallico formano una nanocavità plasmonica, la risposta di risonanza del plasmone a nanocavità e l'effetto parafulmine della struttura di protrusione atomica avrebbero un effetto sinergico. L'effetto sinergico genera un campo elettromagnetico forte e altamente localizzato che comprime il volume in modalità cavità al di sotto di 1 nm 3 , che aumenta notevolmente la densità di fotoni localizzati degli stati e il tasso di decadimento della radiazione molecolare. Questi effetti non solo inibiscono l'estinzione della fluorescenza, ma anche realizzare immagini di fotoluminescenza a risoluzione sub-nanometrica.
Per ottenere una risoluzione spaziale sub-nanometrica, la dimensione della punta e la distanza tra la punta e il campione devono essere sulla scala sub-nanometrica.
I ricercatori hanno inoltre realizzato l'imaging iperspettrale a fotoluminescenza a risoluzione submolecolare con informazioni spettrali, e dimostrato gli effetti dell'interazione locale plasmone-eccitone sull'intensità della fluorescenza, posizione del picco e larghezza del picco sulla scala sub-nanometrica.
Questa ricerca ha raggiunto l'obiettivo tanto atteso di utilizzare la luce per analizzare la struttura interna delle molecole in SNOM, e ha fornito un nuovo metodo tecnico per rilevare e modulare l'ambiente localizzato di molecole e interazioni luce-materia su scala sub-nanometrica.
I revisori di Fotonica della natura dire che questo documento sarà un articolo importante nel suo campo, che ha un significato guida per condurre ricerche di microscopia spettroscopica ultrasensibile con luce su scala atomica.
