Närfältssondering med en enda QD. a. Optisk bild av den mikrofluidiska enheten med korsade kanaler. Flödet i mittkontrollområdet (streckad cirkel) manipuleras i två dimensioner av fyra externa elektroder (ej visade). Skalstång, 500 μm. (b) Schematisk beskrivning av positionerings- och avbildningstekniken. En enda QD drivs längs en bana nära tråden genom flödeskontroll. Kopplingen mellan QD och AgNW mäts antingen av den utstrålade intensiteten från trådändarna eller genom QD livstidsmätningar. Insatsen visar en svepelektronmikroskopibild av en typisk AgNW som används i våra experiment (skalstapel, 1 μm). x-y-koordinatsystemet definieras i förhållande till orienteringen av AgNW, som illustreras i inlägget.
(Phys.org) – Hitta sätt att se, placera, mäta, och exakt manipulera objekt i nanoskala är en ständig utmaning för forskare som utvecklar nästa generation av ultrakompakt elektronik, sensorer och optiska enheter. Även de mest avancerade konventionella mikroskopen begränsas av diffraktion av den kortaste våglängden av synligt ljus, cirka 400 nanometer, vilket gör dem oförmögna att producera bilder eller mätningar av objekt som är betydligt mindre än denna tröskel.
Forskare försöker lösa detta problem genom att använda "rapporteringssonder". Ett närfältsskanning optiskt mikroskop (NSOM), till exempel, är utrustad med en sond fäst vid en finmekanisk spets som kan skanna ett föremål i nanoskala och skapa en bild baserat på det elektromagnetiska fält som det genererar. Men NSOM är komplexa, ömtåliga och dyra utrustningar, och närvaron av spetsen stör interaktionen mellan sonden och provet, förvränga bilden.
En ny studie från University of Maryland (UMD) forskare, publicerad den 5 februari, 2013 års nummer av tidskriften Nature Communications, beskriver en ny teknik för att avbilda långt under diffraktionsgränsen genom att använda en partikel som är mycket mindre än ljusets våglängd som en optisk sond. Partikeln manipuleras med hög precision med hjälp av en billig mikrofluidisk anordning. Genombrottet har gjort det möjligt för forskarna att fånga mätningar i nanoskala med en rumslig noggrannhet på 12 nanometer.
Quantum Dots:Nanoskopiska strålkastare i en mikroskopisk flod
En kvantprick är en 3–6 nanometer stor, halvledande partikel ungefär 25 gånger diametern av en enda atom. Vid rumstemperatur, kvantpunkter kan sända ut enstaka fotoner av ljus som kan ställas in till en önskad våglängd. Detta gör dem till idealiska sonder för att undersöka nanostrukturer som är mindre än tröskeln för synligt ljus. Placerad nära ett objekt i nanoskala, kvantpunkten blir en sorts strålkastare som förstärker det som mikroskopet ensamt inte kan se.
Problemet? Det är svårt att fånga och skanna en enda kvantprick över ett annat objekt i nanoskala.
UMD-teamets lösning ligger i en mikrofluidisk enhet som manipulerar och positionerar kvantprickar med hjälp av precisionsflödeskontroll. En datoralgoritm analyserar prickarna som är spridda inuti, välja en som rapporteringssond. När den mikrofluidiska enheten skapar ett vätskeflöde, den riktade punkten börjar röra sig. En bildstyrd återkopplingsprocess spårar kontinuerligt punktens plats och justerar flödet därefter. Till exempel, om punkten observeras vara nordväst om den önskade platsen, ett sydostflöde skapas för att flytta det på plats.
Denna teknik ger forskare möjligheten att manipulera en enda prick exakt, guidar den snabbt till önskade platser, och hålla den i varje position med nanometernoggrannhet så att den kan användas för att skanna objekt. Punktens svar på varje skannat objekt mäts, tillhandahålla information om objektets elektromagnetiska fält med upplösning i nanoskala. Eftersom ingenting mekaniskt berör kvantpunkten eller påverkar dess interaktion med objekten den skannar, bilderna som produceras är distorsionsfria, ren och skarp.
En överlägsen, Mindre dyr teknik
"I andra partikelmanipulationstekniker - till exempel laserpincett - skalar kraften som appliceras på en partikel med dess volym, " förklarar Clark School of Engineering Prof. Benjamin Shapiro (Fischell Department of Bioengineering och Institute for Systems Research), en av tidningens medförfattare. "Men de viskösa krafterna som vätskeflödet applicerar skala med partikelns diameter. På nanoskala, vätskeflöde har en större effekt på partikeln än konkurrerande tekniker, låter oss röra oss, vägleda och immobilisera kvantpunkten lättare och mer exakt."
Förutom sin tekniska överlägsenhet, det nya manipulationssystemet i nanoskala är mycket billigare än optisk mikroskopi med närfältsskanning, som kräver utrustning som kostar hundratusentals dollar.
"Den nya tekniken är mer mångsidig, lättare att genomföra, och mer exakt med en storleksordning än konventionell närfältsskanning optisk mikroskopi, " säger Shapiros kollega, Prof. Edo Waks (Institutionen för elektro- och datateknik och Institutet för forskning inom elektronik och tillämpad fysik). "I grund och botten, vi kan ta ett mikroskop, lägg till en engångsmikrofluidanordning, och slå kapaciteten hos en NSOM till en bråkdel av kostnaden och komplexiteten.
"En grundutbildning kan bygga den grundläggande tvåkanaliga mikrofluidenheten som används i processen, använda vanliga mjuktillverkningstekniker, på mindre än en timme för under $50, " han lägger till.
UMD-teamet hoppas kunna paketera alla nödvändiga systemkomponenter till en billig tilläggsprodukt för mikroskop.
