Konventionell nanoskala avbildning är vanligtvis svår att utföra för stora, mikronskaliga prover på grund av drifter orsakade av termiska effekter och vibrationer. Nu tar forskare från Japan upp detta problem med ett nyutvecklat bildsystem som kompenserar för sådana drifter. Kredit:Professor Prabhat Verma från Osaka University
Ramanspektroskopi, en optisk mikroskopiteknik, är en oförstörande kemisk analysteknik som ger rik molekylär fingeravtrycksinformation om kemisk struktur, fas, kristallinitet och molekylära interaktioner. Tekniken bygger på interaktionen mellan ljus och kemiska bindningar i ett material. Men eftersom ljus är en våg, kan optiska mikroskop inte lösa avstånd mindre än halva våglängden av det ljus som faller in på provet. Detta är känt som "diffraktionsgränsen", som förhindrar Raman-spektroskopi och andra optiska mikroskopitekniker från att nå upplösningar i nanoskala.
För att förbättra den rumsliga upplösningen uppfanns en annan teknik som kallas "tip-enhanced Raman spectroscopy" (TERS), som kan nå rumsliga upplösningar under diffraktionsgränsen. I TERS begränsar en metallisk spets i nanostorlek ljuset inom en volym i nanostorlek precis ovanför provet. Ljuset interagerar med provmolekylerna på ytan och avbildningen utförs genom att analysera det spridda ljuset.
TERS har framgångsrikt använts för att analysera kemiska sammansättningar och ytdefekter i provet i nanoskalaupplösningar. Men under avbildning tenderar nanotipsen att glida på grund av oundvikliga termiska och vibrationsfluktuationer under omgivande förhållanden, vilket gör att provet antingen är ur fokus eller felinriktning mellan nanotipsen och brännpunkten, eller båda. Detta orsakar avsevärda förvrängningar i de spridda signalerna. För att undvika detta måste TERS-avbildning slutföras inom ett tidsfönster på 30 minuter, en begränsning som förhindrar avbildning av prov som är större än 1 µm 2 med upplösning i nanoskala.
I en ny studie publicerad i Science Advances , ett forskarlag från Japan, ledd av Dr. Ryo Kato, en utsedd assisterande professor vid Institute of Post-LED Photonics vid Tokushima University, och docent Takayuki Umakoshi och professor Prabhat Verma från Osaka University, har nu utvecklat, för den första tid, ett stabilt TERS-system som inte är begränsat till ett kort tidsfönster för bildåtergivning. Teamet visade sin förmåga genom att framgångsrikt avbilda nanoskaliga defekter under en period av 6 timmar i en mikrometerstor, tvådimensionell (2D) volframdisulfid (WS2 ) film – ett material som vanligtvis används i optoelektroniska enheter. "Vårt nya optiska nano-avbildningssystem möjliggör karakterisering av defektanalys i stora WS2 lager med en hög pixelupplösning ner till 10 nm utan någon betydande förlust av optisk signal", säger Dr. Kato.
För att kompensera för driften under långa perioder utvecklade teamet ett återkopplingssystem som spårar förskjutningen av den fokuserade ljuskällan och justerar fokusplanets position därefter. Ljuskällans fokalposition spåras genom att mäta förskjutningen av en reflekterad laserstyrstråle riktad in i mikroskopet. Fokus stabiliseras sedan med en piezo-kontrollerad objektivskanner närhelst systemet känner av en drift eller en förändring i ljuskällans brännpunkt.
För att stabilisera nanotipsen designade teamet ett laserskanningsassisterat spetsavdriftskompensationssystem. I det här fallet tar galvano-skannrar bilder av laserfläcken runt den metalliska nanotipsen precis när den närmar sig provytan. Den här bilden visas som en ljus punkt och indikerar positionen för nanotipsen. När mätningen vid en viss pixel har utförts, fångas bilden av laserfläcken runt nanotipsen igen. Laserpunkten flyttas sedan för att matcha den nya positionen för nanotipsen i denna bild. Processen fortsätter under hela bildbehandlingsprocessen, vilket säkerställer att nanotipsen förblir i en konstant position.
Genom att implementera dessa korrigeringar kunde teamet avbilda ett 2D-ark av WS2 (se bilden ovan) med en skanningsarea på 1 × 4 µm 2 . Med ett 12 gånger längre tidsfönster för bildåtergivning än för konventionell bildbehandling, kunde de upptäcka unika defekter som missats i konventionell TER-avbildning. De visade också att defektdensiteten på en större WS2 prov (jämförbart med enhetsskalor) var högre än det som rapporterades för mindre prover.
Studien kan öppna dörrar till exakt, högupplöst avbildning av inte bara optoelektroniska enheter utan även biologiska prover. "Vår nya driftkompenserade TERS-mikroskopi kunde inte bara utvärdera ytegenskaper hos enhetsmaterial bättre utan också tillåta oss att studera biologiska processer som mekanismen som ligger till grund för utvecklingen av sjukdomar. Detta kan i sin tur hjälpa till att utveckla nya kliniska metoder och terapier, säger Dr Umakoshi. + Utforska vidare
