Un microscope optique à champ proche du type à diffusion examine les matériaux dans la gamme nano


Un microscope optique à champ proche du type à diffusion examine les matériaux dans la gamme nano

Le professeur adjoint Long Ju (au centre) et ses collègues ont développé une nouvelle version personnalisée d’un outil de laboratoire appelé nanoscopie et spectroscopie infrarouge en champ proche pour les utilisateurs du MIT. Celui-ci et une version antérieure, également dans Jus Labor, sont les premiers outils de ce type à l’institut. Ici, le doctorant Matthew Yeung, le professeur Ju et le postdoctorant Zhengguang Lu se tiennent à côté du nouvel outil. Crédit photo : Long Ju

Un physicien du MIT a construit un nouvel instrument qui intéresse les chercheurs du MIT dans diverses disciplines, car il peut déterminer rapidement et à relativement peu de frais diverses propriétés importantes d’un matériau à l’échelle nanométrique. Il est non seulement capable de déterminer les propriétés internes d’un matériau, par exemple comment la conductivité électrique ou optique de ce matériau change sur des distances extrêmement courtes, mais aussi de rendre visibles des molécules individuelles telles que des protéines.

« La recherche sur les modernes a grandement bénéficié des outils expérimentaux avancés », déclare Long Ju, professeur adjoint au Département de physique. Ju est un expert d’un instrument émergent qui combine la nanoscopie – la capacité de voir les choses à l’échelle nanométrique – avec la spectroscopie, qui étudie les matériaux en examinant leurs interactions avec la lumière.

L’outil, connu sous le nom de nanoscope et spectroscope infrarouge en champ proche (il est également appelé à balayage optique à diffusion en champ proche, ou s-SNOM) est disponible dans le commerce. « Cependant, c’est tout un défi pour les nouveaux utilisateurs, ce qui limite les possibilités d’application de la technologie », explique Ju.

Le groupe Ju a construit sa propre version de l’outil – le premier s-SNOM au MIT – et a terminé une deuxième version plus développée avec des fonctions supplémentaires en mai. Les deux instruments sont désormais disponibles pour la communauté du MIT, et le Ju Group est aux côtés des utilisateurs du MIT et développe de nouvelles fonctionnalités. Ju encourage ses collègues du MIT à le contacter pour d’éventuelles candidatures ou questions.

« C’est passionnant parce que c’est une plate-forme qui peut essentiellement héberger de nombreux systèmes de matériaux différents et extraire de nouvelles informations de chacun », déclare Ju, qui est également connecté au laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT. « C’est également une plate-forme pour certains des meilleurs esprits du monde – les chercheurs du MIT – pour concevoir des choses au-delà de ce qui est possible avec un s-SNOM standard. »

Le nouvel outil est basé sur la microscopie à force atomique (AFM), dans laquelle une pointe métallique extrêmement pointue avec un rayon de seulement 20 nanomètres ou milliardièmes de mètre est balayée sur la surface d’un matériau. L’AFM crée une carte des caractéristiques physiques ou de la topographie d’une surface avec une résolution si élevée qu’elle peut identifier des « pics » ou des « vallées » de moins d’un nanomètre de hauteur ou de profondeur.

Un microscope optique à champ proche du type à diffusion examine les matériaux dans la gamme nano

Zoom sur le nouvel outil de caractérisation des matériaux à l’échelle nanométrique. La lumière infrarouge (rouge) est focalisée sur une pointe métallique. La lumière rétrodiffusée peut être analysée pour diverses propriétés. Crédit photo : Long Ju

Ajouter de la lumière

Ju ajoute de la lumière à l’équation. La focalisation d’un laser infrarouge sur la pointe de l’AFM transforme cette pointe en une antenne « tout comme une antenne de télévision qui est utilisée pour recevoir des signaux », dit-il. Et cela améliore considérablement les interactions entre la lumière et le matériau sous la pointe. La lumière rétrodiffusée collectée à partir de ces interactions peut être analysée pour en apprendre beaucoup plus sur la surface qu’avec un AFM traditionnel.

Le résultat : « Vous obtenez une de votre échantillon avec une résolution spatiale de trois ordres de grandeur supérieure à celle des mesures infrarouges conventionnelles », explique Ju. Précédemment signalé dans naturelui et ses collègues ont publié des images de graphiques prises avec l’AFM et le nouvel outil. Les deux ont des caractéristiques communes, mais l’image en champ proche est entrecoupée de lignes lumineuses qui ne sont pas visibles sur l’image AFM. Ce sont des parois de domaine ou les interfaces entre deux sections différentes d’un matériau. Ces interfaces sont essentielles pour comprendre la structure et les propriétés d’un matériau.

La microscopie électronique à transmission (MET) peut être utilisée pour prendre des images avec des détails similaires, mais la MET présente certains inconvénients. Par exemple, il doit fonctionner dans un ultra-vide et les échantillons doivent être extrêmement minces afin de les accrocher sur une feuille ou une membrane. « Le premier limite le débit expérimental, tandis que le second est incompatible avec la plupart des matériaux », explique Ju.

En revanche, « le nanoscope en champ proche peut fonctionner dans l’air, ne nécessite pas que l’échantillon soit suspendu et vous pouvez travailler sur la plupart des substrats solides », explique Ju.

Un microscope optique à champ proche du type à diffusion examine les matériaux dans la gamme nano

L’image de gauche d’une surface graphique a été prise avec une microscopie à force atomique. L’image beaucoup plus détaillée à droite a été capturée en ajoutant de la lumière infrarouge à la configuration par un nouvel outil de laboratoire connu sous le nom de nanoscopie et spectroscopie infrarouge en champ proche. Le professeur adjoint Long Ju a développé des versions sur mesure de cet outil pour le MIT. Crédit photo : Long Ju

Beaucoup d’utilisations

Ju note que l’outil de champ proche peut non seulement fournir des images d’élévation haute résolution ; L’analyse de la lumière rétrodiffusée de la pointe de la machine peut également fournir des informations importantes sur les propriétés internes d’un matériau. Par exemple, il peut différencier les métaux des isolants. Il peut également différencier des matériaux de même composition chimique mais de structures internes différentes (pensez au diamant ou au crayon).

Il qualifie un exemple de « particulièrement cool » que Ju dit que l’instrument peut même être utilisé pour observer une transition matérielle de l’isolant au supraconducteur lorsque la température change. Il est également capable de surveiller des réactions chimiques à l’échelle nanométrique.

Ju note également que le nouvel outil peut être utilisé de différentes manières à des fins différentes. Par exemple, la pointe de l’outil peut soit être balayée sur une surface tout en étant irradiée avec une longueur d’ de lumière spécifiée, soit la pointe peut être garée sur une certaine zone et examinée avec une lumière de différentes longueurs d’onde. Différentes longueurs d’onde de la lumière interagissent différemment avec différents matériaux, ce qui fournit encore plus d’informations sur la composition d’un matériau particulier ou d’autres propriétés.

Ju, qui a rejoint le MIT en 2019, aime vraiment rencontrer d’autres chercheurs du MIT qui pourraient avoir des applications pour sa machine. « C’est passionnant de travailler avec des gens de différents domaines de recherche. Vous pouvez travailler ensemble pour générer de nouvelles idées à la pointe de la technologie.  »


Libérez le potentiel de la microscopie infrarouge en champ proche à balayage


Fourni par le Massachusetts Institute of Technology

Citation: Un microscope optique à balayage en champ proche les matériaux à l’échelle nanométrique (2021 juillet 14), consulté le 14 juillet 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-07-scattering-type-scanning-nearfield -optical-microscope .html

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