Detaljerad molekylär sammansättning av material – från solceller till organiska ljusemitterande dioder (LED) och transistorer, och medicinskt viktiga proteiner – är inte alltid en kristallklar process.

För att förstå hur material fungerar i dessa mikroskopiska skalor, och att bättre designa material för att förbättra deras funktion, det är nödvändigt att inte bara veta allt om deras sammansättning utan också deras molekylära arrangemang och mikroskopiska ofullkomligheter.

Nu, ett team av forskare som arbetar vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har demonstrerat infraröd avbildning av en organisk halvledare känd för sina elektronikegenskaper, avslöjar viktiga nanoskaladetaljer om naturen hos dess kristallformer och orienteringar, och defekter som också påverkar dess prestanda.

För att uppnå detta bildgenombrott, forskare från Berkeley Labs avancerade ljuskälla (ALS) och University of Colorado-Boulder (CU-Boulder) kombinerade kraften hos infrarött ljus från ALS och infrarött ljus från en laser med ett verktyg som kallas ett atomkraftmikroskop. ALS, en synkrotron, producerar ljus i en rad våglängder eller "färger" - från infraröd till röntgenstrålar - genom att accelerera elektronstrålar nära ljusets hastighet runt kurvor.

Forskarna fokuserade båda källorna av infrarött ljus på spetsen av atomkraftmikroskopet, som fungerar lite som en skivspelarnål-den rör sig över ytan på ett material och mäter de subtila ytytorna när det lyfter och sjunker.

Tekniken, beskrivs i en ny upplaga av tidskriften Vetenskapens framsteg , tillåter forskare att ställa in det infraröda ljuset på specifika kemiska bindningar och deras arrangemang i ett prov, visa detaljerade kristallegenskaper, och utforska den kemiska miljön i nanoskala i prover.

"Vår teknik är i stort sett tillämplig, ", sa Hans Bechtel en ALS-forskare. "Du kan använda detta för många typer av material - den enda begränsningen är att det måste vara relativt platt" så att spetsen på atomkraftmikroskopet kan röra sig över dess toppar och dalar.

Markus Raschke, en CU-Boulder-professor som utvecklade bildtekniken tillsammans med Eric Muller, en postdoktor i sin grupp, sa, "Om du känner till molekylkompositionen och orienteringen i dessa organiska material kan du optimera deras egenskaper på ett mycket mer enkelt sätt.

"Detta arbete informerar materialdesign. Känsligheten hos denna teknik går från ett genomsnitt på miljontals molekyler till några hundra, och bildupplösningen går från mikronskalan (miljondelar av en tum) till nanoskala (miljarddelar av en tum), " han sa.

Det infraröda ljuset från synkrotronen gav det väsentliga breda bandet i det infraröda spektrumet, vilket gör det känsligt för många olika kemikaliers bindningar samtidigt och ger även provets molekylära orientering. Den konventionella infraröda lasern, med sin höga effekt men ändå smala spektrum av infrarött ljus, under tiden, gjorde det möjligt för forskare att zooma in på specifika bindningar för att få mycket detaljerad bild.

"Varken ALS-synkrotronen eller lasern ensam skulle ha gett oss denna nivå av mikroskopisk insikt, Raschke sa, medan kombinationen av de två gav en kraftfull sond "större än summan av dess delar."

Raschke för ett decennium sedan först utforskade synkrotronbaserad infraröd nanospektroskopi med BESSY synkrotron i Berlin. Med hans och ALS-forskarnas hjälp Michael Martin och Bechtel, ALS blev 2014 den första synkrotronen som erbjuder infraröd avbildning i nanoskala till besökande forskare.

Tekniken är särskilt användbar för att studera och förstå så kallade "funktionella material" som har speciella fotoniska, elektronisk, eller energiomvandlings- eller energilagringsegenskaper, noterade han.

I princip, han lade till, det nya framstegen i att bestämma molekylär orientering skulle kunna anpassas till biologiska studier av proteiner. "Molekylär orientering är avgörande för att bestämma biologisk funktion, ", sa Raschke. Molekylernas orientering avgör hur energi och laddning strömmar över från cellmembran till molekylära solenergiomvandlingsmaterial.

Bechtel sa att den infraröda tekniken tillåter bildupplösning ner till cirka 10-20 nanometer, som kan lösa funktioner upp till 50, 000 gånger mindre än ett sandkorn.

Bildtekniken som används i dessa experiment, känd som "spridningstyp scanning närfälts optisk mikroskopi, " eller s-SNOM, använder i huvudsak atomkraftmikroskopets spets som en ultrakänslig antenn, som sänder och tar emot fokuserat infrarött ljus i området av spetsens spets. Spridd ljus, fångas från spetsen när den rör sig över provet, spelas in av en detektor för att producera högupplösta bilder.

"Det är icke-invasivt, och den ger information om molekylära vibrationer, "när mikroskopets spets rör sig över provet, sa Bechtel. Forskare använde tekniken för att studera de kristallina egenskaperna hos ett organiskt halvledarmaterial känt som PTCDA (perylentetrakarboxylsyradianhydrid).

Forskare rapporterade att de observerade defekter i orienteringen av materialets kristallstruktur som ger en ny förståelse av kristallernas tillväxtmekanism och kan hjälpa till att designa molekylära enheter med detta material.

Den nya bildbehandlingskapaciteten sätter scenen för ett nytt National Science Foundation Center, meddelade i slutet av september, som länkar CU-Boulder med Berkeley Lab, UC Berkeley, Florida International University, UC Irvine, och Fort Lewis College i Durango, Colo. Centret kommer att kombinera en rad mikroskopiska avbildningsmetoder, inklusive de som använder elektroner, röntgenstrålar, och ljus, inom ett brett spektrum av discipliner.

Detta centrum, kallad STROBE för Science and Technology Center för funktionell bildbehandling i realtid, kommer att ledas av Margaret Murnane, en framstående professor vid CU-Boulder, med Raschke som co-lead.

På Berkeley Lab, STROBE kommer att betjänas av en rad ALS-funktioner, inklusive de infraröda strållinjerna som hanteras av Bechtel och Martin och en ny strålningslinje som kallas COSMIC (för "koherent spridning och mikroskopi"). Det kommer också att dra nytta av Berkeley Lab-utvecklade dataanalysverktyg.