Nye BEAST Metode afslører Secrets af mystiske nano-størrelse Elektromagnetisk Hotspots

Published on January 20, 2011 at 6:32 AM

Hemmelighederne bag den mystiske nano-størrelse elektromagnetisk "hotspots", der vises på metaloverflader under en lys er omsider afsløret ved hjælp af et dyr.

Forskere ved det amerikanske Department of Energy (DOE) 's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har udviklet et enkelt molekyle imaging-teknologi, kaldet Brownske Emitter Adsorption Super opløsning teknik (BEAST), som har gjort det muligt for første gang til direkte at måle det elektromagnetiske felt i et hotspot. Resultaterne lovende for en række teknologier, herunder solenergi og kemiske sensorer.

Electron mikrograf viser flere nano-størrelse elektromagnetisk hotspots på et aluminium film.

"Med vores BEAST metode, var vi i stand til at kortlægge det elektromagnetiske felt profil inden for et enkelt hotspot så små som 15 nanometer med en nøjagtighed ned til 1,2 nanometer, på blot et par minutter," siger Xiang Zhang, en ledende forsker med Berkeley Lab Materials Sciences Division og Ernest S. Kuh Begavet Ledes professor ved University of California (UC), Berkeley. "Vi opdagede, at området er meget lokal, og i modsætning til en typisk elektromagnetisk felt, der ikke udbreder sig gennem rummet. Feltet har også en eksponentiel form, der stiger stejlt til et højdepunkt og derefter henfalder meget hurtigt."

Zhang, der leder Center for skalerbar og integreret nanofabrikation (SINAM), en National Science Foundation Nano-skala Science and Engineering Center på UC Berkeley, er den tilsvarende forfatter af et dokument om denne forskning, der vises i tidsskriftet Nature under titlen " Kortlægning af Distribution af Electromagnetic Field Inde i en 15nm mellemstore Hotspot ved en enkelt Molecule Imaging. " Co-authoring papiret med Zhang blev Hu Cang, Anna Labno, Changgui Lu, Xiaobo Yin, Ming Liu og Christopher Gladden.

Under optisk lys, vil ru metalliske overflader bliver oversået med mikroskopiske hotspots, hvor lyset er stærkt begrænset i områder måling snese nanometer i diameter, og Raman (uelastisk) spredning af lyset er forbedret med op til 14 størrelsesordener. Først observeret mere end 30 år siden, har sådanne hotspots været knyttet til effekten af ​​overfladeruhed på plasmoner (elektronisk overfladebølger) og andre lokaliserede elektromagnetiske modes. Men i løbet af de sidste tre årtier har lidt lært om oprindelsen af ​​disse hotspots.

"Utroligt, på trods af tusindvis af papirer om dette problem, og forskellige teorier, vi er de første til at eksperimentelt bestemme karakteren af ​​det elektromagnetiske felt i en sådan nano-størrelse hotspots," siger Hu Cang, ledende forfatter på Natur papir og et medlem af Zhang forskning gruppe. "De 15 nanometer hotspot vi måles, er på størrelse med et protein-molekyle. Vi mener, der er hotspots, der kan endda være mindre end et molekyle."

Da størrelsen af ​​disse metalliske hotspots er langt mindre end bølgelængden af ​​lysindfald, var en ny teknik er nødvendig for at kortlægge det elektromagnetiske felt inden for et hotspot. The Berkeley forskere udviklet BEAST metode til at udnytte det faktum, at individuelle fluorescerende farvestof molekyler kan lokaliseres med enkelt nanometer nøjagtighed. Den fluorescensintensitet af individuelle molekyler adsorberet på overfladen giver et direkte mål for det elektromagnetiske felt i et enkelt hotspot. BEAST udnytter Brownske bevægelse af en enkelt farvestof molekyler i en løsning for at gøre farvestoffer scanne indersiden af ​​en enkelt hotspot stokastisk, et molekyle ad gangen.

"Den eksponentielle form, vi fandt for det elektromagnetiske felt inden for et hotspot er direkte beviser for eksistensen af ​​en lokaliseret elektromagnetisk felt, i modsætning til den mere almindelige form for gaussisk fordeling," Cang siger. "Der er flere konkurrerende mekanismer, der foreslås for hotspots og vi arbejder nu på at yderligere at undersøge disse grundlæggende mekanismer."

BEAST starter med nedsænkning af en prøve i en opløsning af frit sprede fluorescerende farvestof. Siden udbredelsen af ​​farvestoffet er meget hurtigere, end det billede købet tid (0,1 millisekunder vs 50-til-100 millisekunder), fluorescens producerer en homogen baggrund. Når et farvestof molekyle er adsorberet på overfladen af ​​et hotspot, vises det som et lyspunkt i billeder, med intensiteten af ​​pletten rapportering af lokale feltstyrke.

"Ved at bruge et maximum likelihood enkelt molekyle lokalisering metode, kan molekylet være lokaliseret med enkelt nanometer nøjagtighed," Zhang siger. "Efter farvestofmolekylet er bleget (typisk inden for hundredvis af millisekunder), fluorescens forsvinder, og hotspot er klar til næste adsorption begivenhed."

At vælge den rigtige koncentration af farvestof molekyler gør det muligt for adsorption sats på overfladen af ​​et hotspot, der skal styres således, at kun én adsorberede molekyle udsender fotoner ad gangen. Siden BEAST bruger et kamera til at optage enkelt molekyle adsorption begivenheder, flere hotspots i et synsfelt på op til et kvadrat millimeter kan være afbildet parallelt.

I deres papir, se Zhang og hans kolleger hotspots bliver taget i brug i en bred vifte af applikationer, startende med fremstilling af højeffektive solceller og enheder, der kan afsløre svage kemiske signaler.

"Et hotspot er som et objektiv, der kan fokusere lys til en lille plet med fokus magt langt ud over enhver konventionel optik," Cang siger. "Mens en konventionel linse kun kan fokusere lys til et sted omkring halvdelen af ​​bølgelængden af ​​synligt lys (ca. 200-300 nanometer), vi nu bekræfte, at et hotspot kan fokusere lys til en nanometer-store spot."

Gennem denne enestående fokus magt, kan hotspots anvendes til at koncentrere sollys på den fotokatalytiske steder af sol-enheder, hvilket vil bidrage til at maksimere lys-høst og vand-opdelingen effektivitet. For påvisning af svage kemiske signaler, fx fra et enkelt molekyle, kunne et hotspot bruges til at fokusere indfaldende lys, så den kun oplyser molekyle af interesse, hvilket vil styrke signalet og minimere baggrunden.

BEAST gør det også muligt at studere adfærd af lys, da det passerer gennem et nanomateriale, en kritisk faktor for den fremtidige udvikling af nano-optik og metamaterial enheder. Nuværende eksperimentelle teknikker lider af begrænset opløsning og er vanskelige at gennemføre på det virkeligt nanoskala.

"BEAST giver en hidtil uset mulighed for at måle, hvordan et nanomateriale ændrer fordelingen af ​​lys, der vil styre udviklingen af ​​avancerede nano-optik-enheder," siger Cang. "Vi vil også bruge BEAST at besvare nogle udfordrende problemer i overfladevand videnskab, såsom hvor og hvad er de aktive steder i en katalysator, hvordan energien og afgifter overførsel mellem molekyler og et nanomateriale, og hvad bestemmer overfladen hydrofobicitet. Disse problemer kræver en teknik med elektron-mikroskopi niveau opløsning og optisk spektroskopi oplysninger. BEAST er et perfekt redskab for disse problemer. "

Kilde: http://www.lbl.gov/

Last Update: 5. October 2011 19:37

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit