L'imaging convenzionale su nanoscala è solitamente difficile da eseguire per campioni di grandi dimensioni su scala micron a causa delle derive causate da effetti termici e vibrazioni. Ora, i ricercatori giapponesi affrontano questo problema con un sistema di imaging di nuova concezione che compensa tali derive. Credito:Professor Prabhat Verma dell'Università di Osaka
La spettroscopia Raman, una tecnica di microscopia ottica, è una tecnica di analisi chimica non distruttiva che fornisce informazioni dettagliate sull'impronta molecolare sulla struttura chimica, la fase, la cristallinità e le interazioni molecolari. La tecnica si basa sull'interazione della luce con i legami chimici all'interno di un materiale. Tuttavia, poiché la luce è un'onda, i microscopi ottici non sono in grado di risolvere distanze inferiori alla metà della lunghezza d'onda della luce incidente sul campione. Questo è noto come "limite di diffrazione", che impedisce alla spettroscopia Raman e ad altre tecniche di microscopia ottica di raggiungere risoluzioni su scala nanometrica.
Per migliorare la risoluzione spaziale, è stata inventata un'altra tecnica chiamata "spettroscopia Raman con punta avanzata" (TERS), che può raggiungere risoluzioni spaziali inferiori al limite di diffrazione. In TERS, una punta metallica di dimensioni nanometriche confina la luce all'interno di un volume di dimensioni nanometriche appena sopra il campione. La luce interagisce con le molecole del campione sulla superficie e l'imaging viene eseguito analizzando la luce diffusa.
TERS è stato utilizzato con successo per analizzare le composizioni chimiche ei difetti superficiali del campione a risoluzioni su scala nanometrica. Tuttavia, durante l'imaging, la nanopunta tende a spostarsi a causa delle inevitabili fluttuazioni termiche e vibrazionali in condizioni ambientali, causando la sfocatura del campione o il disallineamento tra la nanopunta e la macchia focale, o entrambi. Ciò provoca notevoli distorsioni nei segnali diffusi. Per evitare ciò, l'imaging TERS deve essere completato entro un intervallo di tempo di 30 minuti, una restrizione che impedisce l'imaging di qualsiasi campione più grande di 1 µm 2 con risoluzione su scala nanometrica.
In un nuovo studio pubblicato su Science Advances , un gruppo di ricerca dal Giappone, guidato dal Dr. Ryo Kato, un assistente designato presso l'Istituto di Fotonica Post-LED dell'Università di Tokushima, e dal Professore Associato Takayuki Umakoshi e dal Professor Prabhat Verma dell'Università di Osaka, ha ora sviluppato, per la prima volta tempo, un sistema TERS stabile che non si limita a una breve finestra temporale di imaging. Il team ha dimostrato la sua capacità di imaging con successo di difetti su scala nanometrica per un periodo di 6 ore in un disolfuro di tungsteno bidimensionale (2D) di dimensioni micrometriche (WS2 ) pellicola:un materiale comunemente utilizzato nei dispositivi optoelettronici. "Il nostro nuovo sistema di nanoimaging ottico consente la caratterizzazione dell'analisi dei difetti in WS2 di grandi dimensioni strati con un'elevata risoluzione dei pixel fino a 10 nm senza alcuna perdita significativa di segnale ottico", afferma il dott. Kato.
Per compensare le derive per lunghi periodi, il team ha sviluppato un sistema di feedback che tiene traccia dello spostamento della sorgente di luce focalizzata e regola di conseguenza la posizione del piano di messa a fuoco. La posizione focale della sorgente luminosa viene rilevata misurando lo spostamento di un raggio di guida laser riflesso diretto nel microscopio. La messa a fuoco viene quindi stabilizzata con uno scanner obiettivo a controllo piezoelettrico ogni volta che il sistema rileva una deriva o un cambiamento nella posizione focale della sorgente luminosa.
Per stabilizzare la nanopunta, il team ha progettato un sistema di compensazione della deriva della punta assistito dalla scansione laser. In questo caso, i galvano-scanner acquisiscono immagini del punto laser attorno alla nanopunta metallica proprio mentre si avvicina alla superficie del campione. Questa immagine appare come un punto luminoso e indica la posizione del nanotip. Una volta eseguita la misurazione su un determinato pixel, l'immagine del punto laser attorno alla nanopunta viene acquisita di nuovo. Il punto laser viene quindi spostato in modo che corrisponda alla nuova posizione del nanotip in questa immagine. Il processo continua durante tutto il processo di imaging, assicurando che il nanotip rimanga in una posizione costante.
Implementando queste correzioni, il team è stato in grado di creare un'immagine di un foglio 2D di WS2 (vedi immagine sopra) con un'area di scansione di 1 × 4 µm 2 . Con una finestra temporale di imaging 12 volte più lunga rispetto a quella dell'imaging convenzionale, sono stati in grado di rilevare difetti unici mancati nell'imaging TER convenzionale. Hanno anche mostrato che la densità del difetto su un WS2 più grande campione (paragonabile alle bilance del dispositivo) era superiore a quello riportato per campioni più piccoli.
Lo studio potrebbe aprire le porte all'imaging preciso e ad alta risoluzione non solo dei dispositivi optoelettronici, ma anche dei campioni biologici. "La nostra nuova microscopia TERS con compensazione della deriva potrebbe non solo valutare meglio le proprietà superficiali dei materiali del dispositivo, ma anche permetterci di studiare processi biologici come il meccanismo alla base dello sviluppo di malattie. Questo, a sua volta, potrebbe aiutare a sviluppare nuovi metodi clinici e terapie, " dice il dottor Umakoshi. + Esplora ulteriormente
