Pour concevoir la prochaine génération de dispositifs optiques, allant des panneaux solaires efficaces aux LED aux transistors optiques, les ingénieurs auront besoin d'une image tridimensionnelle décrivant comment la lumière interagit avec ces objets à l'échelle nanométrique.

Malheureusement, la physique de la lumière a dressé un barrage dans les techniques d'imagerie traditionnelles :plus l'objet est petit, plus la résolution de l'image en 3-D est faible.

Maintenant, ingénieurs de Stanford et du FOM Institute AMOLF, un laboratoire de recherche aux Pays-Bas, ont développé une technique permettant de visualiser les propriétés optiques d'objets de plusieurs millièmes de la taille d'un grain de sable, en 3D et avec une résolution à l'échelle nanométrique.

La recherche est détaillée dans le numéro actuel de Nature Nanotechnologie .

La technique implique une combinaison unique de deux technologies, cathodoluminescence et tomographie, permettant la génération de cartes 3D du paysage optique des objets, a déclaré l'auteur principal de l'étude, Ashwin Atre, un étudiant diplômé dans le groupe de laboratoire de Jennifer Dionne, professeur assistant en science et génie des matériaux.

L'objet cible de cette expérience de preuve de principe était un croissant doré de 250 nanomètres de diamètre, plusieurs centaines de fois aussi fin qu'un cheveu humain. Pour étudier les propriétés optiques du croissant, ils l'ont d'abord imagé à l'aide d'un microscope électronique à balayage modifié. Lorsque le faisceau d'électrons focalisé a traversé l'objet, il excitait énergiquement le croissant, l'amenant à émettre des photons, un processus connu sous le nom de cathodoluminescence.

L'intensité et la longueur d'onde des photons émis dépendaient de la partie de l'objet excitée par le faisceau d'électrons, Atré a dit. Par exemple, la coquille d'or à la base de l'objet a émis des photons de longueurs d'onde plus courtes que lorsque le faisceau passait près de l'espace aux extrémités du croissant.

En balayant le faisceau d'avant en arrière sur l'objet, les ingénieurs ont créé une image 2D de ces propriétés optiques. Chaque pixel de cette image contenait également des informations sur la longueur d'onde des photons émis dans les longueurs d'onde visibles et infrarouges proches. Cette technique d'imagerie spectrale par cathodoluminescence 2D, mis au point par l'équipe AMOLF, a révélé les manières caractéristiques dont la lumière interagit avec cet objet à l'échelle nanométrique.

"Interprétation d'une image 2D, cependant, peut être assez limitatif, " a déclaré Atre. "C'est comme essayer de reconnaître une personne par son ombre. Nous voulions vraiment améliorer cela avec notre travail. »

Pour pousser la technique dans la troisième dimension, les ingénieurs ont incliné le nanocroissant et l'ont renumérisé, collecter des données d'émission 2D sous plusieurs angles, chacun fournissant une plus grande spécificité à l'emplacement du signal optique.

En utilisant la tomographie pour combiner cette série d'images en 2D, similaire à la façon dont les images radiographiques 2D d'un corps humain sont cousues ensemble pour produire une image CT 3D, Atre et ses collègues ont créé une carte en 3D des propriétés optiques de l'objet. Cette carte expérimentale révèle des sources d'émission lumineuse dans la structure avec une résolution spatiale de l'ordre de 10 nanomètres.

Depuis des décennies, les techniques pour imager les interactions lumière-matière avec une résolution limitée à la sous-diffraction ont été limitées à la 2D. "Ce travail pourrait ouvrir une nouvelle ère d'imagerie optique 3D avec une résolution spatiale et spectrale à l'échelle nanométrique, " dit Dionne, qui est affilié au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences du SLAC.

La technique peut être utilisée pour sonder de nombreux systèmes dans lesquels la lumière est émise lors d'une excitation électronique.

"Il a des applications pour tester divers types de matériaux d'ingénierie et naturels, " dit Atre. " Par exemple, il pourrait être utilisé dans la fabrication de LED pour optimiser la façon dont la lumière est émise, ou dans des panneaux solaires pour améliorer l'absorption de la lumière par les matières actives."

La technique pourrait même être modifiée pour l'imagerie des systèmes biologiques sans avoir besoin de marqueurs fluorescents.