1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Initiative Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمیته استانداردسازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • پایگاه اطلاع رسانی محصولات فناوری نانو ایران

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

  • باشگاه نانو

تصویربرداری؛ حرکت در مرز فمتو

افراد مقاله : ‌ مترجم - زهرا ناظمی , مترجم - حسین شکی

موضوع : تجهیزات و مدل سازی کلمات کلیدی : تصویربرداری - لیزر - پلاسمون تاریخ مقاله : 1396/02/05 تعداد بازدید : 1034

میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک در ترکیب با طیف سنجی پمپ پروبی، می تواند حرکت‌های فوق سریع در ابعاد نانو را تفکیک کند. حداکثر قدرت تفکیکی که می توان در یک دستگاه تصویربرداری با نورهای خطی متداول به آن دست یافت، تقریباً یک دوم طول موج نور تابشی است. این اصل تحت عنوان «حد پراش» از سال 1873 که ارنست آبه آن را فرمول نویسی کرد، یک اصل فیزیکی شناخته شده است. روش های مبتکرانه ی طیف سنجی تک مولکولی تا حدود 130 سال پس از آن توسعه یافتند تا به تصویربرداری نوری فراتر از حد پراش دست یابند. این روش ها با دریافت یک جایزه نوبل به رسمیت شناخته شدند.

 

هدف نهایی تصویربرداری‌ یک ماده با قدرت تفکیک فضایی نانومتری و قدرت تفکیک زمانی فمتوثانیه‌ای است. محدوده‌ای که به فیزیکدان‌ها و شیمیدان‌ها اجازه خواهد داد قوانین مکانیک کوانتوم مانند پدیده‌های تشکیل و شکست پیوند شیمیایی را بررسی کنند. نوشته‌ی مارکوس راسک[1] و همکارانش از دانشگاه کلرودای بولدر در مجله Nature Nanotechnology تکنیکی را گزارش می‌کند که حاصل ترکیب قدرت تفکیک نانومتری میکروسکوپ میدان نزدیک با قدرت تفکیک فمتوثانیه‌ای طیف سنج پمپ پروبی است[2]. آن‌ها با این روش تصویربرداری‌ای با قدرت تفکیک فضایی و زمانی به ترتیب nm 50< و fs 5< را نشان دادند.

تصویربرداری پدیده‌های کوانتومی در ابعاد فمتونانو هدفی است که فیزیکدان‌ها و شیمیدان‌ها با به کارگیری روش‌های مختلف دنبال کرده‌اند؛ این روش‌ها مزایا و معایبی دارد[3]. برای نمونه روش‌های نوری میدان دور که می‌توانند به تفکیک زمانی کمتر از as 100 برسند، فقط با مدت زمان پالس لیزر محدود شدند.اما پراش در این روش محدود می‌شود. میکروسکوپ الکترونی می‌تواند به قدرت تفکیک اتمی برسد، اما منابع الکترونی متداول فاقد قدرت تفکیک زمانی مورد نیاز هستند. این محدودیت در بعضی موارد محدود می‌شود؛ مثلاً زمانی که یک پالس لیزر فمتوثانیه‌ای هم یک فرآیند دینامیکی در نمونه و هم یک پالس الکترونی فوق سریع را تحریک می‌کند. پالس الکترونی فوق سریع می‌تواند برای پروب دینامیک‌های تحریک شده با اولین پالس استفاده شود[4]. محققان با به کارگیری این حیله و بهینه‌سازی‌های مختلف برای سرعت بخشیدن به تولید و گسترش پالس‌های الکترونی، به قدرت تفکیک زمانی حدود fs 300 دست یافته‌اند (مرجع 5). در روشی دیگر پالس‌های پمپ پروب فمتوثانیه‌ای می‌توانند برای تصویربرداری فوتوالکترون‌های نشری از یک سطح نانوساختار محدود شده با مدت زمان پالس‌های لیزر و قدرت تفکیک فضایی nm 10< محدود شده با توان نورهای الکترون برای تصویرگیری الکترون‌های کم انرژی استفاده شوند[6]. میکروسکوپ نشر نوری فوق سریع به دلیل قدرت تفکیک زمانی و فضایی زیاد، به ویژه برای تصویربرداری نوسانات، انتشار، فصل مشترک و فازی شدن مجدد پلاسمون‌های سطحی مناسب بوده است[6، 7].

 اگرچه میکروسکوپ فوق سریع برپایه‌ی الکترون نیاز به انجام آزمایش‌هایی در خلأ دارد که البته تجهیزات آن بسیار گران و تخصصی هستند، راسک و همکارانش یک روش تمام نوری ارائه کردند که از یک میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک بسیار در دسترس استفاده می‌کند. میکروسکوپ‌های میدان نزدیک می‌توانند با افزایش میدان الکترومغناطیسی حاصل از تحریک رزونانس پلاسمون در رأس سر فلزی نانومتری به قدرت تفکیکی با این ابعاد دست یابند. جاروب سطح نمونه با حرکت سر فلزی بر روی آن مقدار نور پراکنده را تعدیل کرده، یک تصویر توپوگرافی با قدرت تفکیک محدود شده به کانولوشن سرفلزی و مورفولوژی‌های نمونه تولید می‌کند. میدان پلاسمونی برای تصویربرداری فرآیندهای نوری غیرخطی شدت یافته و محدود شده در شکاف سر-نمونه هدایت می‌شود؛ به این ترتیب سیگنالی غیرخطی فراهم می‌شود که می‌تواند از نور پراکنده‌ی خطی قوی‌تر تفکیک شود.

 راسک و همکارانش تدبیری برای استخراج مؤثر جزء غیرخطی اندیشیدند. در این روش به جای تحریک مستقیم پلاسمون در شکاف سر-نمونه، نور میدان دور از فاصله‌ی دور روی شفت سر میکروسکوپ وارد شده سپس به عنوان یک موج پلاسمون سطحی منسجم به رأس هدایت می‌شود و با نمونه واکنش می‌دهد[8]. وقتی پلاسمون انتشار می‌یابد، به طور فزاینده‌‌ای شدت می‌گیرد و در رأس به حداکثر مقدار خود می‌رسد؛ پدیده‌ای تحت عنوان تمرکز بی‌دررو[2]. مثل مقیاس‌های سیگنال غیرخطی با سومین توان تقویت میدان الکتریکی که در نزدیکی رأس شدیدترین مقدار است، جایی که میدان بیشترین تمرکز را دارد. این برهم‌کنش غیرخطی به مخلوط فرکانس چهار موج مربوط می‌شود (شکل 1a و b). دو فوتون با فرکانس مرکزی ω1 و یک فوتون در فرکانس کمتر ω2 در طیف لیزر ترکیب می‌شوند تا چهارمین فوتون با فرکانس بالاتر ω3 را تولید کنند. محققان برای افزایش حساسیت راه‌اندازی سیگنال غیرخطی جزء فرکانس بالای طیف سنج لیزر تحریکی را فیلتر کردند، به طوری که فقط مخلوط غیر خطی نوری با فرکانس ω3 تولید می‌کند. به علاوه محققان برای دستیابی به قدرت تفکیک زمانی محدود به پالس لیزر fs 10 اثرات پهن‌شدگی پالس را با شکل دادن به فاز طیفی پالس لیزر جبران کردند.

راسک و همکارانش با این روش دینامیک‌های الکترون منسجم در فیلم نانوساختار طلا را پروب کردند (شکل 1c). آن‌ها با جاروب سر بر روی نمونه، همزمان توپوگرافی نمونه و سرعت‌های تشکیل مجدد فاز نوسانات الکترونی منسجم را نقشه‌برداری کردند که تحت تأثیر سیگنال مخلوط غیرخطی هستند. سرعت‌های تشکیل مجدد فاز به موفولوژی نمونه بستگی داشت.

راه‌اندازی این تصویربرداری مخلوط چهار موج فوق سریع در مقیاس نانو در آینده قابلیت به کارگیری در مطالعه دینامیک‌های منسجم تحریکات لرزشی و الکترونی در نمونه‌هایی مانند تک مولکول‌هایی که در حال برهمکنش با محیط مایع یا جامد هستند، یا جفت کردن اگزیتون‌ها و پلاسمون‌ها در نانوذرات فلزی و نیمه‌هادی را دارد[9]. به طور کلی یک نقشه‌ی فضازمانی کامل از جفت کوانتوم-مکانیکی eigenmodes در یک نمونه‌ی نانوساختار با استفاده از طیف سنج الکترونی چند بعدی قابل دستیابی است[10، 7]. بنابراین فیلم‌های تولیدی چگونگی جریان تحریک نوری در میان نوسان‌گرهای کوانتوم کوپل شده در سیتم‌های پیچیده مانند آن‌هایی که در سیستم‌های فوتوسنتزی و آن‌هایی که در محاسبات کوانتوم استفاده می‌شوند را به درستی بیان خواهند کرد.

 

 

مرجع:

NATURE NANOTECHNOLOGY, ADVANCE ONLINE PUBLICATION, News& views; IMAGING: Nano meets femto

www.nature.com/naturenanotechnology