Ett McGill-forskargrupp har utvecklat en ny teknik för att upptäcka nanostorlekar i material. De tror att denna upptäckt kommer att leda till förbättringar av de optiska detektorerna som används inom ett brett spektrum av tekniker, från mobiltelefoner till kameror och fiberoptik, liksom i solceller.

Forskarna, ledd av professor Peter Grutter från McGills fysikavdelning, använde atomkraftsmikroskopi för att upptäcka de ultrasnabba krafter som uppstår när ljus interagerar med materia. I deras papper, publicerad denna vecka i PNAS , de visar att krafter som härrör från två, tidsfördröjda ljuspulser kan detekteras med subfemtosekundprecision (dessa är miljondelar av en miljarddel av en sekund) och nanometer rumslig upplösning i ett brett spektrum av material.

Förbättrad teknik för att använda ljus för att upptäcka brister i material

"För att förstå och förbättra material, forskare använder vanligtvis ljuspulser snabbare än 100 femtosekunder för att utforska hur snabbt reaktioner uppstår och bestämma de långsammaste stegen i processen, "förklarar Zeno Schumacher, tidningens första författare som var postdoktor i Grutters lab när forskningen gjordes och nu är baserad på ETH Zürich. "Det elektriska fältet för en ljuspuls oscillerar med några femtosekunder och kommer att trycka och dra på atomstorlekar och joner som består av materia. Dessa laddade kroppar rör sig sedan, eller polarisera, under dessa krafter och det är denna rörelse som bestämmer ett materials optiska egenskaper. "

Verkliga material som används i solceller (även känt som solceller) och i de optiska detektorerna som används i utrustning som mobiltelefoner och kameror har många brister och defekter av olika typer som är mycket svåra att karakterisera, eftersom de vanligtvis bara är en nanometer stora. Dessutom, Det har varit mycket utmanande att identifiera och studera ”hot spots” och ”svaga länkar” i materialen som kan bromsa eller hindra ljusframkallade processer eftersom traditionella tekniker för att upptäcka brister i genomsnitt över skillnader i egenskaper på ett större område.

Att se brister i nanoskala i olika material

Den nya tekniken som utvecklats av McGill -teamet kombinerar ultrasnabba olinjära optiska metoder med den höga rumsliga upplösningen av atomkraftmikroskopi. De har visat att deras teknik fungerar på ett isolerande olinjärt optiskt material (LiNbO ₃ ) samt en nanometer tunn, tvådimensionell halvledande fling av molybden-diselenid (MoSe ₂ ), en oorganisk förening som används i optisk och scanning-sondmikroskopi.

"Vår nya teknik är tillämplig på alla material, såsom metaller, halvledare och isolatorer, säger Peter Grutter, seniorförfattaren på tidningen. "Det kommer att göra det möjligt att använda hög rumslig och tidsmässig upplösning för att studera, förstå och i slutändan kontrollera brister i solcellsmaterial. I sista hand, det ska hjälpa oss att förbättra solceller och de optiska detektorerna som används inom ett brett spektrum av tekniker. "