När molekyler exciteras, de kan ge upphov till en mängd olika energiomvandlingsfenomen, såsom ljusemission och fotoelektrisk eller fotokemisk omvandling. För att låsa upp nya energiomvandlingsfunktioner i organiska material, forskare bör kunna förstå naturen av ett material exciterade tillstånd och kontrollera det.

Än så länge, många forskare har använt spektroskopitekniker baserade på laserljus i forskning med fokus på exciterade tillstånd. Ändå, de kunde inte använda laserljus för att undersöka material i nanoskala, på grund av dess begränsningar i så kallad diffraktion. De spektroskopiska mätmetoderna som tillämpas på elektron- och scanningsprobmikroskop som kan observera ämnen med atomupplösning, å andra sidan, är fortfarande underutvecklade.

Forskare vid RIKEN, Japan Science and Technology Agency (JST), University of Tokyo och andra institut i Japan har nyligen utvecklat en lasernanospektroskopiteknik som kan användas för att undersöka enskilda molekyler. Denna teknik, presenteras i ett papper publicerat i Vetenskap , skulle kunna öppna upp nya möjligheter för utveckling av olika ny teknik, inklusive lysdioder (LED), solceller och fotosyntetiska celler.

"Det är mycket svårt att observera ämnen på atomnivå och direkt undersöka egenskaperna hos ämnenas exciterade tillstånd, som har varit ett av hindren för forskning om energiomvandling, " Hiroshi Imada, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "I denna forskning, vi kombinerar scanning tunneling microscopy (STM) med en laserspektroskopi för att uppnå hög spatial- och energiupplösning samtidigt, och med det kunde vi avslöja molekylernas natur med oöverträffad precision."

Tekniken som utvecklats av Imada och hans kollegor använder laserljus för att driva det elektromagnetiska fältet hos en lokaliserad plasmon som bildas i nanoskalan mellan STM-spetsen och metallsubstratet vid en väldefinierad frekvens som bestäms av laserenergin. Plasmonfältets laterala dimension är cirka 2 nm i diameter och mindre än den minsta ljusfläcken i konventionell optik med två storleksordningar. Detta fält fungerar som en monokromatisk nanoskala, avstämbar och mobil exciteringskälla.

"Nyckelpunkten i vår forskning är att frekvensen av den drivna plasmonen är avstämbar genom att ställa in det externt bestrålande laserljuset, "Imada sa." Det plasmoniska fältet exakt anpassat till molekylär resonans visade sig vara mycket effektivt för att excitera den enda molekylen under STM -observationen, som gjorde det möjligt för oss att utföra nanospektroskopi med mikroelektronvoltenergiupplösning."

Medan den teknik som utvecklats av Imada och hans kollegor är baserad på grundläggande spektroskopimetoder, det skulle potentiellt kunna öppna upp nya forskningsmöjligheter inom området nanovetenskap. Faktiskt, i motsats till konventionella STM-spektroskopitekniker, deras metod använder inte tunnelelektroner och liknar mer konventionell laserspektroskopi.

"Vi har bevisat att plasmonfältet kan vara en laserfläck i nanoskala med 1/100 fläckstorlek, ", sa Imada. "Vi förutser att många typer av laserspektroskopi kan realiseras med den extrema rumsliga upplösningen baserat på vår experimentella uppsättning, bara genom att introducera nya ljuskällor som kortpulslaser, frekvens kam, synkroniserade tvåpulser, och så vidare.

I framtiden, tekniken som introducerats av detta team av forskare kan hjälpa till att låsa upp specifikt designade energiomvandlande funktioner i organiska material, genom att tillåta forskare att ställa in energinivåerna i molekylära system. Under tiden, forskarna planerar att arbeta med en tidsbestämd version av sin teknik.

"Det är känt att det finns en avvägning mellan tidsupplösning och energiupplösning, men information om tidsskala och energinivåer är båda mycket viktiga för att korrekt förstå den dynamiska processen som äger rum i det exciterade tillståndet, ", sa Imada. "Vi planerar att utveckla ultrasnabb nanospektroskopi som är kompatibel med den exakta nanospektroskopi som utvecklats här för att revolutionera förståelsen av energiomvandling i molekylära system."

© 2021 Science X Network