Forskare har utvecklat nya material för nästa generations elektronik så små att de inte bara går att särskilja när de packas tätt, utan de reflekterar inte heller tillräckligt med ljus för att visa fina detaljer, som färger, med även de mest kraftfulla optiska mikroskopen. Under ett optiskt mikroskop ser till exempel kolnanorör gråaktiga ut. Oförmågan att urskilja fina detaljer och skillnader mellan enskilda bitar av nanomaterial gör det svårt för forskare att studera deras unika egenskaper och upptäcka sätt att perfekta dem för industriellt bruk.

I en ny rapport i Nature Communications , beskriver forskare från UC Riverside en revolutionerande bildteknik som komprimerar lampljus till en nanometerstor fläck. Den håller ljuset i änden av en silver nanotråd som en Hogwarts-elev som övar på "Lumos"-förtrollningen, och använder den för att avslöja tidigare osynliga detaljer, inklusive färger.

Framstegen, som förbättrar färgavbildningsupplösningen till en aldrig tidigare skådad nivå på 6 nanometer, kommer att hjälpa forskare att se nanomaterial tillräckligt detaljerat för att göra dem mer användbara i elektronik och andra tillämpningar.

Ming Liu och Ruoxue Yan, docent vid UC Riversides Marlan och Rosemary Bourns College of Engineering, utvecklade detta unika verktyg med en superfokuseringsteknik utvecklad av teamet. Tekniken har använts i tidigare arbete för att observera vibrationen av molekylära bindningar vid 1 nanometers rumslig upplösning utan behov av någon fokuseringslins.

I den nya rapporten modifierade Liu och Yan verktyget för att mäta signaler som spänner över hela det synliga våglängdsområdet, vilket kan användas för att återge färgen och avbilda objektets elektroniska bandstrukturer istället för endast molekylvibrationer. Verktyget klämmer ihop ljuset från en volframlampa till en silver nanotråd med nästan noll spridning eller reflektion, där ljus bärs av oscillationsvågen av fria elektroner på silverytan.

Det kondenserade ljuset lämnar den silverfärgade nanotrådsspetsen, som har en radie på bara 5 nanometer, i en konisk bana, som ljusstrålen från en ficklampa. När spetsen passerar över ett föremål detekteras och registreras dess inverkan på strålformen och färgen.

"Det är som att använda tummen för att styra vattensprayen från en slang," sa Liu, "Du vet hur man får det önskade spraymönstret genom att ändra tumpositionen, och på samma sätt, i experimentet, läste vi ljusmönstret för att hämta detaljerna om föremålet som blockerar det 5 nm-stora ljusmunstycket."

Ljuset fokuseras sedan till en spektrometer, där det bildar en liten ringform. Genom att skanna sonden över ett område och spela in två spektra för varje pixel kan forskarna formulera absorptions- och spridningsbilder med färger. De ursprungligen gråaktiga kolnanorören får sitt första färgfotografi, och ett enskilt kolnanorör har nu chansen att visa sin unika färg.

"Den atomiskt släta silvernanotråden med skarp spets och dess nästan spridningsfria optiska koppling och fokusering är avgörande för avbildningen," sa Yan. "Annars skulle det finnas intensivt ströljus i bakgrunden som förstör hela ansträngningen."

Forskarna förväntar sig att den nya tekniken kan vara ett viktigt verktyg för att hjälpa halvledarindustrin att tillverka enhetliga nanomaterial med konsekventa egenskaper för användning i elektroniska enheter. Den nya fullfärgs nano-avbildningstekniken skulle också kunna användas för att förbättra förståelsen av katalys, kvantoptik och nanoelektronik.

Liu, Yan och Ma fick sällskap i forskningen av Xuezhi Ma, en postdoktor vid Temple University som arbetade med projektet som en del av sin doktorandforskning vid UCR Riverside. Forskare inkluderade också UCR-studenterna Qiushi Liu, Ning Yu, Da Xu, Sanggon Kim, Zebin Liu, Kaili Jiang och professor Bryan Wong.

Uppsatsen har titeln "6 nm superupplösning optisk transmission och spridningsspektroskopisk avbildning av kolnanorör med hjälp av en vit ljuskälla i nanometerskala." + Utforska vidare

Fiberoptisk sond kan se molekylära bindningar