Docent Long Ju (i mitten) och kollegor har byggt en ny, anpassad version av ett laboratorieverktyg som kallas nära-fält infraröd nanoskopi och spektroskopi för MIT-användare. Det och en tidigare version, även i Ju's lab, är de första sådana verktygen vid institutet. Här doktorand Matthew Yeung, Professor Ju, och postdoc Zhengguang Lu står bredvid det nya verktyget. Upphovsman:Long Ju
En MIT -fysiker har byggt ett nytt instrument av intresse för MIT -forskare inom ett brett spektrum av discipliner eftersom det snabbt och relativt billigt kan avgöra en mängd viktiga egenskaper hos ett material i nanoskala. Det kan inte bara bestämma ett materials inre egenskaper, som hur materialets elektriska eller optiska konduktivitet förändras över utsökta korta avstånd, men också visualisering av enskilda molekyler, som proteiner.
"Modern materialforskning har haft stor nytta av avancerade experimentella verktyg, "säger Long Ju, en biträdande professor vid Institutionen för fysik. Ju är expert på ett framväxande instrument som kombinerar nanoskopi - förmågan att se saker på nanoskala - med spektroskopi, som sonderar material genom att utforska deras interaktioner med ljus.
Verktyget, känd som ett nära-fält infrarött nanoskop och spektroskop (det är också känt som ett scanning-typ-scanning nearfield optiskt mikroskop, eller s-SNOM), finns kommersiellt. Dock, "Det är ganska utmanande för nya användare, vilket begränsar teknikens tillämpningar, "säger Ju.
Så Ju-gruppen byggde sin egen version av verktyget-den första s-SNOM på MIT-och slutförde i maj en andra, mer avancerad version med ytterligare funktioner. Nu är båda instrumenten tillgängliga för MIT -gemenskapen, och Ju -gruppen finns till hands för att ge hjälp till MIT -användare och för att utveckla nya funktioner. Ju uppmuntrar MIT -kollegor att kontakta honom med potentiella ansökningar eller frågor.
"Det är spännande eftersom det är en plattform som kan, i princip, värd för många olika materialsystem och extrahera ny information från varje, "säger Ju, som också är ansluten till MIT:s materialforskningslaboratorium. "Det är också en plattform för några av de bästa sinnena i världen-MIT-forskare-att tänka på saker utöver vad som kan göras på en standard s-SNOM."
Det nya verktyget är baserat på atomkraftsmikroskopi (AFM), där en extremt skarp metallspets med en radie på endast 20 nanometer, eller miljarddels meter, skannas över ytan på ett material. AFM skapar en karta över de fysiska funktionerna, eller topografi, av en yta, med så hög upplösning att den kan identifiera "berg" eller "dalar" mindre än en nanometer i höjd eller djup.
Närbildschema över det nya verktyget för att karakterisera material på nanoskala. Infrarött ljus (rött) fokuseras på en metallspets. Ljuset som sprider sig tillbaka kan analyseras för en mängd olika egenskaper. Upphovsman:Long Ju
Lägger till ljus
Ju lägger till ljus till ekvationen. Genom att fokusera en infraröd laser på AFM -spetsen förvandlas spetsen till en antenn "precis som antennen på en tv som används för att ta emot signaler, "säger han. Och det, i tur och ordning, förbättrar kraftigt interaktioner mellan ljuset och materialet under spetsen. Det bakströda ljuset som samlats in från dessa interaktioner kan analyseras för att avslöja mycket mer om ytan än vad som skulle vara möjligt med en konventionell AFM.
Resultatet:"Du kan få en bild av ditt prov med tre storleksordningar bättre rymdupplösning än den för konventionella infraröda mätningar, "säger Ju. I tidigare arbete rapporterades i Natur , han och kollegor publicerade bilder av grafen tagna med AFM och med det nya verktyget. Det finns gemensamma funktioner mellan de två, men närfältbilden är fylld med ljusa linjer som inte syns i AFM-bilden. De är domänväggar, eller gränssnitten mellan två olika sektioner av ett material. Dessa gränssnitt är nyckeln till att förstå materialets struktur och egenskaper.
Bilder med liknande detaljer kan fångas med transmissionselektronmikroskopi (TEM), men TEM har några nackdelar. Till exempel, den måste drivas i ett ultrahögt vakuum, och proverna måste vara extremt tunna för suspension på en film eller ett membran. "Den förra begränsar den experimentella genomströmningen, medan det senare inte är kompatibelt med de flesta material, "säger Ju.
I kontrast, Nära fältnanoskopet "kan drivas i luft, inte kräver att provet suspenderas, och du kan arbeta på de flesta fasta underlag, "Säger Ju.
Bilden till vänster om en grafenyta togs med hjälp av atomkraftmikroskopi. Den mycket mer detaljerade bilden till höger togs genom att lägga till infrarött ljus till installationen genom ett nytt laboratorieverktyg som kallas nära-fält infraröd nanoskopi och spektroskopi. Assistant Professor Long Ju har byggt anpassade versioner av det verktyget för MIT. Upphovsman:Long Ju
Många applikationer
Ju noterar att närfältverktyget inte bara kan ge högupplösta bilder av höjder; analysen av bakspridet ljus från maskinspetsen kan också ge viktig information om ett materials inre egenskaper. Till exempel, det kan avläsa metaller från isolatorer. Det kan också skilja mellan material med samma kemiska sammansättning men olika inre strukturer (tänk diamant kontra blyertspenna).
I ett exempel beskriver han som "särskilt cool, "Ju säger att instrumentet till och med kan användas för att se en materialövergång från isolator till superledare när temperaturen ändras. Det kan också övervaka kemiska reaktioner på nanoskala.
Ju noterar också att det nya verktyget kan användas på olika sätt för olika ändamål. Till exempel, han sa, verktygets spets kan antingen skannas över en yta medan den bestrålas med en inställd våglängd av ljus, eller spetsen kan parkeras över ett visst område och sonderas med ljus av olika våglängder. Olika ljusets våglängder interagerar olika med olika material, ger ännu mer information om ett visst materials sammansättning eller andra egenskaper.
Ju, som kom till MIT 2019, tycker mycket om att träffa andra MIT -forskare som kan ha applikationer för sin maskin. "Det är spännande att arbeta med människor från olika forskningsområden. Ni kan arbeta tillsammans för att skapa nya idéer i framkant."
