Fig. 1 (a) Schematisk bild av fotoinducerad kraftmikroskopi. (b)(c) Fotoinducerade kraftmikroskopbilder av en kvantprick uppmätt med olika våglängder (600 nm, 520 nm). (d) Fotoinducerade kraftprofiler för bilderna. Detta återspeglar den elektroniska energistrukturen designad för fotokatalys. Kredit:Osaka University
Ett team av forskare ledda av institutionen för tillämpad fysik vid Osaka University, Institutionen för fysik och elektronik vid Osaka Prefecture University, och Institutionen för materialkemi vid Nagoya University använde fotoinducerad kraftmikroskopi för att kartlägga krafterna som verkar på kvantprickar i tre dimensioner. Genom att eliminera bullerkällor, teamet kunde uppnå subnanometerprecision för första gången någonsin, vilket kan leda till nya framsteg inom fotokatalysatorer och optiska pincett.
Kraftfält är inte de osynliga barriärerna för science fiction, men är en uppsättning vektorer som indikerar storleken och riktningen av krafter som verkar i ett område av rymden. Nanoteknik, som innebär att man tillverkar och manipulerar små enheter som kvantprickar, använder ibland lasrar för att optiskt fånga och flytta dessa objekt. Dock, förmågan att analysera och hantera sådana små system kräver ett bättre sätt att visualisera de 3D-krafter som verkar på dem.
Nu, ett team av forskare vid Osaka University, Osaka Prefecture University, och Nagoya University har för första gången visat hur fotoinducerad kraftmikroskopi kan användas för att erhålla 3D kraftfältsdiagram med subnanometerupplösning. "Vi lyckades avbilda nanopartiklars optiska närfält med hjälp av ett fotoinducerat kraftmikroskop. Detta mäter den optiska kraften mellan provet och sonden orsakad av ljusbestrålning, ", säger förstaförfattaren Junsuke Yamanishi.
Laserljus riktades mot en kvantpunkt placerad under en atomkraftsmikroskopspets. Genom att flytta punkten i förhållande till spetsen kunde mikroskopet kartlägga det fotoinducerade 3D-kraftfältet. Teamet kunde uppnå en så hög precisionsnivå genom att använda några experimentella förbättringar. De använde ultravakuumförhållanden för att öka kraftkänsligheten, och använde heterodyn frekvensmodulering, vilket innebär att man blandar två andra frekvenser, för att kraftigt minska effekten av termisk uppvärmning. "Vi minskade den fototermiska effekten med denna unika teknik och uppnådde en upplösning på mindre än en nanometer för första gången någonsin, " säger seniorförfattaren Yasuhiro Sugawara.
Fig. 2 (a) Atomkraftmikroskopibild av en kvantprick. (b) Fotoinducerad kraftmikroskopibild vid 660 nm. (c) Fotoinducerade kraftprofiler för bilden. En rumslig upplösning på mindre än 1 nm har erhållits. Kredit:Osaka University
Fig. 3 (a) 3D kraftfältskartläggning av den fotoinducerade kraften. (b) Experimentellt erhållen 3D fotoinducerad kraftfältkarta med användning av laser med 660 nm våglängd. Färgade pilar indikerar storleken och riktningen av kraften i planet. Den svartvita skuggningen indikerar kraftens storlek i höjdriktningen. (c) Teoretiskt beräknad 3D fotoinducerad kraftfältskarta. Tendensen att förklara resultaten av experiment väl är uppenbar. Kredit:Osaka University
