Des chercheurs de l'Université Brown ont démontré un moyen d'introduire une forme puissante de spectroscopie - une technique utilisée pour étudier une grande variété de matériaux - dans le nano-monde.

La microscopie à émission laser térahertz (LTEM) est un moyen en plein essor de caractériser les performances des cellules solaires, circuits intégrés et autres systèmes et matériaux. Les impulsions laser illuminant un échantillon de matériau provoquent l'émission d'un rayonnement térahertz, qui contient des informations importantes sur les propriétés électriques de l'échantillon.

"C'est un outil bien connu pour étudier essentiellement tout matériau qui absorbe la lumière, mais il n'a jamais été possible de l'utiliser à l'échelle nanométrique, " a déclaré Daniel Mittleman, professeur à la Brown's School of Engineering et auteur correspondant d'un article décrivant le travail. "Notre travail a amélioré la résolution de la technique afin qu'elle puisse être utilisée pour caractériser des nanostructures individuelles."

Typiquement, Les mesures LTEM sont réalisées avec une résolution de quelques dizaines de microns, mais cette nouvelle technique permet des mesures jusqu'à une résolution de 20 nanomètres, environ 1, 000 fois la résolution précédemment possible en utilisant les techniques LTEM traditionnelles.

La recherche, publié dans la revue ACS Photonique , était dirigé par Pernille Klarskov, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Mittleman, avec Hyewon Kim et Vicki Colvin du département de chimie de Brown.

Pour leurs recherches, l'équipe a adapté pour le rayonnement térahertz une technique déjà utilisée pour améliorer la résolution des microscopes infrarouges. La technique utilise une épingle en métal, effilée jusqu'à une pointe effilée de quelques dizaines de nanomètres de diamètre seulement, qui plane juste au-dessus d'un échantillon à imager. Lorsque l'échantillon est illuminé, une infime partie de la lumière est captée directement sous la pointe, ce qui permet une résolution d'imagerie à peu près égale à la taille de la pointe. En déplaçant la pointe, il est possible de créer des images ultra-haute résolution d'un échantillon entier.

Klarskov a pu montrer que la même technique pouvait également être utilisée pour augmenter la résolution des émissions térahertz. Pour leur étude, elle et ses collègues ont pu imager une nanotige d'or individuelle avec une résolution de 20 nanomètres en utilisant une émission térahertz.

Les chercheurs pensent que leur nouvelle technique pourrait être largement utile pour caractériser les propriétés électriques des matériaux avec des détails sans précédent.

« L'émission térahertz a été utilisée pour étudier de nombreux matériaux différents :semi-conducteurs, supraconducteurs, isolants à large bande interdite, circuits intégrés et autres, " Mittleman a déclaré. " Être capable de faire cela jusqu'au niveau des nanostructures individuelles est un gros problème. "

Un exemple de domaine de recherche qui pourrait bénéficier de la technique, Mittleman dit, est la caractérisation des cellules solaires à pérovskite, une technologie solaire émergente étudiée en profondeur par les collègues de Mittleman à Brown.

"L'un des problèmes avec les pérovskites est qu'elles sont faites de grains multicristallins, et les joints de grains sont ce qui limite le transport de charge à travers une cellule, " Mittleman a dit. " Avec la résolution que nous pouvons atteindre, nous pouvons cartographier chaque grain pour voir si différents arrangements ou orientations ont une influence sur la mobilité des charges, ce qui pourrait aider à optimiser les cellules."

C'est un exemple où cela pourrait être utile, Mittleman a dit, mais ce n'est certainement pas limité à cela.

"Cela pourrait avoir des applications assez larges, " il a noté.