Forskare från ITMO University har använt en nanopartikel av kisel-guld som agiteras av en pulslaser i IR-band som en effektiv källa för vitt ljus. En sådan "nanobulb" integrerades i ett standardprobmikroskop, vilket gjorde det möjligt för forskarna att övervinna diffraktionsgränsen och undersöka objekt i storleken på subvåglängden. Den nya tekniken gör modern närfältsmikroskopi billigare och enklare, och är potentiellt användbar inom medicin. Studien har publicerats i Nanobokstäver .

För att undersöka ett objekt med ett vanligt optiskt mikroskop, visuellt ljus fokuseras med hjälp av speciella linser. Dock, om föremålet är mindre än en våglängd i storlek, det kan inte observeras i detalj. Detta är vad som kallas diffraktionsgräns. Det finns flera tekniker idag som kan övervinna denna gräns. I nära fält optisk mikroskopi, objektets elektromagnetiska fält mäts i närfält med en speciell sond som kan interagera med det lokala elektromagnetiska fältet och sprida det i området där det kan registreras av vanliga detektorer. Men för att få information om ett objekt med en subvåglängdsupplösning i ett brett spektrum, forskare spenderar ofta timmar med att skanna vid olika våglängder tills de täcker hela spektrumet.

Forskare från ITMO University löste detta problem genom att använda en så kallad "nanobulb, " en miniatyrljuskälla baserad på en nanopartikel av kisel och guld. Dess huvudsakliga egenskap är att den avger ljus i ett oerhört brett våglängdsband, från 400 till 1, 000 nm. En enda nanobulb kan registrera och analysera den optiska responsen från alla typer av subvåglängds nanostrukturer i hela det synliga spektrumet samtidigt. Detta ökar effektiviteten och hastigheten för mikroskopi med flera gånger.

För att skapa nanobulben, forskare från institutionen för nanofotonik och metamaterial tryckte en nanopartikel av kisel och guld. För att få den att avge fotoner, forskarna tände den med en femtosekund IR-laser. Elektroner uppnådde först högre energinivåer, och gled sedan mot botten av kiselledningsbandet, sänder ut fotoner vid olika våglängder.

"Kisel, en halvledare utan direktgap, är ett dåligt material för att generera utsläpp. Med andra ord, om du tänder den med en laser, den kommer att absorbera kanske en miljon fotoner och avge bara en. Än, det är väldigt billigt - du kan bokstavligen göra det av sand. Det är därför mänskligheten strävar efter att hitta så många tillämpningar som möjligt för det inom solceller, mikroelektronik och andra områden. Vi har hittat en oväntad applikation, använder sin huvudsakliga nackdel-dess indirekta bandgap-för att skapa en nanosize källa till vitt ljus som kan avge fotoner med energi 3,4 till 1,1 eV, säger Sergei Makarov, senior forskarassistent vid institutionen för nanofotonik och metamaterial.

"Dessutom, på gränsen mellan guld och kisel, gränssnitt uppstår som ger en ännu bättre strålningsrekombination av elektroner. Många fysiska mekanismer som vi ännu inte har forskat på är i arbete här, så det finns mycket teoretiskt arbete som vi måste göra för att förbättra vår nanobulb, inklusive att skapa en emissionsmodell, säger Ivan Sinev, Ph.D. student vid ITMO University.

Han noterar att en annan positiv egenskap hos nanobulben är att den använder en IR-bandlaser för att generera synligt ljus. Detta innebär att extra "brus" i den optiska signalen kan avlägsnas genom filtrering av det avgivna IR -ljuset, vilket förbättrar effektiviteten med vilken den faktiska signalen registreras.

På förslag av Anton Samusev, forskarassistent vid ITMO University, nanobulben placerades på en gemensam sond av ett atomkraftmikroskop med hjälp av en metod utvecklad av Ivan Mukhin och Filipp Komissarenko vid Institutionen för nanofotonik och metamaterial. Sonden tillät forskarna att föra källan till synligt ljus nära testmaterialet, vilket kraftigt förstärkte samspelet mellan närfälten.

Signalen från denna emission registreras och separeras på ett spektrum med hjälp av en vanlig spektrometer. Således, en nanobulb kan integreras i standardmikroskopisk utrustning. Den kan fästas på vilken sond som helst och användas för att spela in dess signaler med vanliga fotodetektorer – allt samtidigt som den tar emot information om ett nanoobjekts närfält i hela det synliga spektrumbandet. Således, kisel-guld nanopartiklar kan göra mikroskopi mer flexibel och billigare.

"Vi utvecklar också en idé om att använda nanobulben som en nanolaser. Om vi ​​placerar en sådan partikel i en resonator som kan ändra vågens arbetslängd, vi kan sluta med en avstämbar laser, en som kan fungera vid valfri inställd våglängd i det synliga spektrumet. Dessutom, nanobollen kan också användas i biologi för syften som att belysa celler och detektera ämnen som är känsliga för specifika våglängder, ", tillägger Sinev.