Prof. Dong Zhenchao och Prof. Hou Jianguo från University of Science and Technology of China (USTC) vid den kinesiska vetenskapsakademin (CAS) har förbättrat den rumsliga upplösningen från 8 nm till ~8 Å för fotoluminescensavbildning. Detta har för första gången realiserat submolekylär upplösning med fotofluorescensavbildning med en molekyl.

Denna studie publicerades i Nature Photonics den 10 augusti.

Att nå atomupplösning med ljus har alltid varit ett av de ultimata målen inom nanooptik, och tillkomsten av scanning near-field optical microscopy (SNOM) väckte förhoppningar om detta mål.

Prof. Dong och hans kollegor demonstrerade framgångsrikt rumslig upplösning i sub-nanometerskala i Raman-spektroskopi med en molekyl avbildning med lokal förstärkningseffekt av ett plasmonfält i nanokavitet i en studie 2013.

Dock, till skillnad från Raman-spridningsprocessen, fluorescens kommer att släckas i mycket omedelbar närhet av metaller som stoppar upplösningsutvecklingen av SNOM vid cirka 10 nm.

Strålningsegenskaperna (fluorescens) hos molekyler i metallnanokaviteten påverkas direkt av nanokavitets fotondensitet, och nanokavitets fotondensitet är nära relaterad till sondspetsens struktur. Därför, det är nyckeln att modifiera strukturen av sonden och det elektroniska tillståndet för molekylerna i nanokavitet för att undvika fluorescenssläckning och uppnå högupplöst fotofluorescensavbildning.

Dongs team finjusterade plasmonnanokavitet ytterligare, speciellt vid tillverkning och kontroll av atomspetsens struktur på atomnivå. De konstruerade en Ag-spetsspets med ett atomistiskt utsprång och matchade nanokavitets plasmonresonans med den effektiva energin från den infallande lasern och molekylär luminescens.

Sedan, forskarna använde ett ultratunt dielektriskt skikt (tre atomer tjockt NaCl) för att isolera laddningsöverföringen mellan nanokavitetsmolekylerna och metallsubstratet, att uppnå sub-nanometerupplösning av fotoluminescensavbildningen med en molekyl.

De fann att när sonden närmade sig molekylen, även om deras avstånd är mindre än 1 nm, intensiteten av fotoluminescens fortsätter att öka monotont. Och fluorescenssläckningen försvinner helt.

Teoretiska simuleringar visade att när den atomistiska utsprångsspetsen och metallsubstratet bildar en plasmonnanokavitet, resonansresponsen hos nanokavitetsplasmonen och blixtstångseffekten av den atomistiska utsprångsstrukturen skulle ha en synergistisk effekt. Den synergistiska effekten genererar ett starkt och mycket lokaliserat elektromagnetiskt fält som komprimerar kavitetsmodvolymen till under 1 nm ³ , vilket avsevärt ökar den lokala fotondensiteten i tillstånd och den molekylära strålningens avklingningshastighet. Dessa effekter hämmar inte bara fluorescenssläckningen, men också realisera sub-nanometer-upplösning fotoluminescensavbildning.

För att uppnå rumslig upplösning under nanometer, spetsens storlek och avståndet mellan spetsen och provet måste vara på subnanometerskalan.

Forskarna insåg vidare sub-molekylärt upplöst fotoluminescens hyperspektral avbildning med spektral information, och visade effekterna av lokal plasmon-exciton-interaktion på fluorescensintensitet, toppposition och toppbredd på subnanometerskalan.

Denna forskning uppnådde det efterlängtade målet att använda ljus för att analysera den inre strukturen hos molekyler i SNOM, och tillhandahöll en ny teknisk metod för att detektera och modulera den lokaliserade miljön av molekyler och ljus-materia-interaktioner på subnanometerskalan.

Recensenterna av Nature Photonics säga att denna tidning kommer att bli en viktig artikel inom sitt område, som har vägledande betydelse för att utföra ultrakänslig spektroskopisk mikroskopiforskning med ljus i atomskala.