اولین اسلحه الکترونیکی نانوتیپ فیبر نوری تصویربرداری و سنجش در مقیاس نانو را آسان می کند

نور از طریق یک الیاف و کوره حرکت می کند الکترونهای فلزی موجود در نانولوله را به نوسانات جمعی موسوم به پلاسمونهای سطحی ، کمک می کند تا الکترونها از نوک خارج شوند. این نانو تفنگ الکترونی ساده را می توان از طریق اشکال مختلف ترکیب مواد و ساختار ، همه کاره ساخت. اعتبار: علی پسیان / ORNL ، گروه انرژی ایالات متحده
دانشمندان آزمایشگاه ملی دپارتمان انرژی Oak Ridge و دانشگاه نبراسکا با ارائه ابزاری مفید و جدید برای علوم مواد ، تصویربرداری زیستی و تحقیقات بنیادی کوانتوم ، روشی آسان تر برای تولید الکترون برای تصویربرداری و سنجش در مقیاس نانو ایجاد کرده اند. >
در تحقیقی که در New Journal of Physics منتشر شد ، محققان گزارش دادند که شلیک پالسهای شدید لیزر از طریق یک نانو نوک فیبر نوری باعث انتشار نوک الکترون می شود و یک “تفنگ الکترونی” سریع ایجاد می کند که می تواند برای کاوش مواد استفاده شود. این دستگاه به محققان این امکان را می دهد تا از هر زاویه ای به سرعت سطوح را بررسی کنند که این یک مزیت بزرگ نسبت به تکنیک های کم تحرک موجود است.
علی پسیان از گروه علوم اطلاعات کوانتومی ORNL گفت: “این ماده بر اساس اصل فعال سازی نور کار می کند ، بنابراین نور وارد می شود و الکترون ها را به روش صحیح در فلز تحریک می کند تا انرژی کافی برای بیرون آمدن بدست آورند.”
الکترون ها ابزاری بسیار ارزشمند برای نگاهی دقیق به ویژگیهای سطح مواد هستند. ذرات زیر اتمی ، که طول موج کمتری نسبت به فوتونها دارند – ذرات نور – می توانند اجسام را در نانومتر ، یا یک میلیاردم متر با وضوح بزرگ کنند – به طور تصاعدی بالاتر از بزرگنمایی نور.
از اواسط دهه 2000 ، محققان از نانوموله های تیز برای انتشار الکترون در پرتوهای کاملاً متمرکز استفاده کرده اند. نوک های نانو در مقایسه با سایر تکنیک های میکروسکوپ الکترونی روبشی ، وضوح مکانی و زمانی بهتری را ارائه می دهند ، به محققان کمک می کند تعاملات مداوم در مقیاس نانو را بهتر پیگیری کنند. در این تکنیک ها ، الکترون ها هنگامی که نکات را تحریک می کنند ، ساطع می شوند.
با این حال ، قبل از این مطالعه ، روش های انتشار نانوموله ها به تحریک نور خارجی متکی بوده اند. برای تولید الکترون ، محققان مجبور شدند با دقت پرتوهای لیزر را بر روی راس نانو نوک قرار دهند.
“هرمان باتلان” ، یکی از محققان این مطالعه که هدایت تحقیقات کنترل الکترون در دانشگاه نبراسکا را بر عهده دارد ، گفت: “قبلاً ، لیزرها باید نکات را پیگیری می کردند ، که از نظر فنی کار بسیار دشواری است.” دشواری کار محدود کردن سرعت عکس گرفتن و از چه موقعیتی است.
اما Passian ایده ای برای رویکرد متفاوت داشت. وی با شلیک نور لیزر از طریق یک فیبر نوری انعطاف پذیر برای روشن کردن نانوساختار مخروطی و روکش فلزی آن از داخل ، پیش بینی کرد که می تواند ابزاری با قابلیت کنترل بیشتر ایجاد کند.
پاسیان گفت: “ایده این بود که به دلیل ساده و حاوی آن – نور از داخل پخش می شود – شما می توانید قسمت های مختلف مواد را در ارتفاع و موقعیت های جانبی مختلف کاوش کنید.”
برای فهمیدن اینکه آیا ایده او امکان پذیر است ، پاسیان با باتلان و سپس دانشجوی کارشناسی ارشد سام کراماتی در دانشگاه نبراسکا همکاری کرد. تیم نبراسکا از یک لیزر فمتوسکند برای شلیک پالس های فوق کوتاه و شدید از طریق فیبر نوری و داخل محفظه خلا استفاده کردند. در محفظه ، نور از طریق یک نانو نوار الیاف روکش طلا که در ORNL ساخته شده بود حرکت کرد.
این تیم انتشار الکترون کنترل شده از نانوموله را مشاهده کرد. با تجزیه و تحلیل داده ها ، آنها پیشنهاد کردند که مکانیزم انتشار امکان پذیر نیست ، بلکه ترکیبی از عوامل است.
یک عامل این است که شکل و پوشش فلزی نانوموله یک میدان الکتریکی ایجاد می کند که به بیرون کشیدن الکترونها از نوک کمک می کند. عامل دیگر این است که این میدان الکتریکی در راس نانوتیپ با طول موج های خاص نور لیزر قابل افزایش است.
کرامتی گفت: “با تنظیم لیزر فمتوسکند به طول موج صحیح ، که ما آن را طول موج رزونانس پلاسمون سطحی می نامیم ، متوجه شدیم که بیش از حد آستانه انتشار داریم.” تشدید پلاسمون سطحی به معنای نوسان جمعی الکترونها در سطح فلز است. انتشار بالاتر از آستانه زمانی اتفاق می افتد که الکترون ها انرژی کافی از فوتون ها را برای شلیک با انرژی جنبشی اولیه جذب می کنند.
برای تأیید اینکه الکترونها به دلیل نور و گرما منتشر نشده اند ، خود تیم نانوذرات را مطالعه کردند. این نکات در طول آزمایش هیچ صدمه ای ندیدند ، این نشان می دهد که مکانیزم انتشار واقعاً سبک است.
یک مزیت اضافی در تکنیک جدید ، این است که ظرفیت سوئیچینگ سریع منبع لیزر به آنها امکان کنترل انتشار الکترون را با سرعت بیشتر از یک نانو ثانیه می دهد. این به آنها روش بهتری برای ثبت تصاویر با سرعت سریع می دهد. سپس می توان چنین تصاویری را تقریباً مانند یک فیلم برای ردیابی فعل و انفعالات پیچیده در مقیاس نانو به هم متصل کرد.
کم کردن برق h4>
با خوشحالی از این یافته های اولیه ، تیم تصمیم گرفت آزمایش کند که آیا می توانند با لیزر موج مداوم بسیار کم قدرت ، همان نوع موجود در اشاره گر لیزر روزمره ، نتیجه ای مشابه به دست آورند. آنها برای جبران کمبود قدرت لیزر ، ولتاژ را در بالای نانو بالا بردند و اختلاف پتانسیل انرژی ایجاد کردند که به اعتقاد آنها می تواند به دفع الکترون کمک کند. در کمال تعجب ، این کار جواب داد
“از نظر ما این کمترین شدت لیزر است که باعث انتشار الکترون از نوک نانوها می شود” ، کرامتی ، اکنون یک محقق فوق دکترا است ، درباره نتایج منتشر شده در نامه های فیزیک کاربردی . p>
“باتلان خاطرنشان کرد:” اکنون به جای داشتن لیزر قدرتمند و بسیار گران ، می توانید با لیزر دیود 10 دلاری همراه شوید.
اگرچه لیزرهای موج پیوسته فاقد قابلیت سوئیچینگ سریع لیزرهای فمتوثانیه قدرتمندتر هستند ، اما سوئیچینگ آهسته مزایای خاص خود را دارد. یعنی امکان کنترل بهتر مدت و تعداد الکترونهای ساطع شده از نانوموله ها.
این تیم در حقیقت نشان داد كه كنترل حاصل از سوئیچ كردن آهسته ، انتشار الکترون را در محدوده های لازم برای یك برنامه آینده نگرانه به نام تصویربرداری شبح الكترونیكی فعال می سازد. تصویربرداری شبح به تازگی نشان داده شده ، خواص کوانتومی نور را در برابر نمونه های حساس به تصویر ، مانند سلول های بیولوژیکی زنده ، در معرض نور بسیار کم مهار می کند.
با ترکیب چندین نکته نانو فیبر در کنار هم ، تیم امیدوار است که بتواند به تصویربرداری شبح الکترونی در مقیاس نانو دست یابد.
منابع:
“پلاسمون سطحی باعث افزایش سریع انتشار الکترون از نکات فیبر نوری فلزی شده” توسط سام کرامتی ، علی پسیان ، وینیت خولار ، جوشوا بک ، کورنلیس یوتروال و هرمان باتلان ، 24 اوت 2020 ، مجله جدید فیزیک . DOI: 10.1088 / 1367-2630 / aba85b
“انتشار الکترون فوتوفیلد از یک نانوک فیبر نوری” توسط S. Keramati ، A. Passian ، V. Khullar و H. Batelaan ، 10 آگوست 2020 ، نامه های فیزیک کاربردی . DOI: 10.1063 / 5.0014873
تحقیقات اولیه برای این کار توسط برنامه تحقیق و توسعه آزمایشگاهی ORNL صندوق سرمایه بذر پشتیبانی شد. تحقیقات در دانشگاه نبراسکا با کمک مالی UNL و همچنین بنیاد ملی علوم تحت شماره های جایزه EPS-1430519 و PHY-1912504 پشتیبانی شد.