Le professeur adjoint Long Ju (au centre) et ses collègues ont construit un nouveau version personnalisée d'un outil de laboratoire connu sous le nom de nanoscopie et spectroscopie infrarouge en champ proche pour les utilisateurs du MIT. Elle et une version antérieure, aussi dans le laboratoire de Ju, sont les premiers de ces outils à l'Institut. Ici, l'étudiant diplômé Matthew Yeung, Professeur Ju, et le postdoctorant Zhengguang Lu se tiennent à côté du nouvel outil. Crédit :Long Ju
Un physicien du MIT a construit un nouvel instrument d'intérêt pour les chercheurs du MIT dans un large éventail de disciplines, car il peut déterminer rapidement et à peu de frais une variété de caractéristiques importantes d'un matériau à l'échelle nanométrique. Il est capable non seulement de déterminer les propriétés internes d'un matériau, comme la façon dont la conductivité électrique ou optique de ce matériau change sur des distances extrêmement courtes, mais aussi visualiser des molécules individuelles, comme les protéines.
« La recherche moderne sur les matériaux a grandement bénéficié d'outils expérimentaux avancés, " dit Long Ju, professeur adjoint au Département de physique. Ju est un expert sur un instrument émergent qui combine la nanoscopie - la capacité de voir les choses à l'échelle nanométrique - avec la spectroscopie, qui sonde les matériaux en explorant leurs interactions avec la lumière.
L'outil, connu sous le nom de nanoscope et spectroscope infrarouge en champ proche (il est également connu sous le nom de microscope optique à champ proche à balayage de type diffusion, ou s-SNOM), est disponible dans le commerce. Cependant, "c'est plutôt difficile pour les nouveaux utilisateurs, ce qui limite les applications de la technique, " dit Ju.
Le groupe Ju a donc créé sa propre version de l'outil - le premier s-SNOM au MIT - et en a terminé en mai une deuxième, version plus avancée avec des fonctions supplémentaires. Désormais, les deux instruments sont disponibles pour la communauté du MIT, et le groupe Ju est présent pour accompagner les utilisateurs du MIT et développer de nouvelles fonctionnalités. Ju encourage ses collègues du MIT à le contacter pour des candidatures ou des questions potentielles.
"C'est excitant parce que c'est une plateforme qui peut, en principe, héberger de nombreux systèmes de matériaux différents et extraire de nouvelles informations de chacun, " dit Ju, qui est également affilié au laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT. "C'est aussi une plate-forme pour certains des meilleurs esprits du monde - les chercheurs du MIT - pour concevoir des choses au-delà de ce qui peut être fait sur un s-SNOM standard."
Le nouvel outil est basé sur la microscopie à force atomique (AFM), dans lequel une pointe métallique extrêmement pointue avec un rayon de seulement 20 nanomètres, ou des milliardièmes de mètre, est balayé à travers la surface d'un matériau. L'AFM crée une carte des caractéristiques physiques, ou topographie, d'une superficie, d'une résolution si élevée qu'il peut identifier des « montagnes » ou des « vallées » de moins d'un nanomètre de hauteur ou de profondeur.
Gros plan sur le nouvel outil de caractérisation des matériaux à l'échelle nanométrique. La lumière infrarouge (rouge) est focalisée sur une pointe métallique. La lumière qui se diffuse peut être analysée pour une variété de propriétés. Crédit :Long Ju
Ajout de lumière
Ju ajoute de la lumière à l'équation. La focalisation d'un laser infrarouge sur la pointe de l'AFM transforme cette pointe en une antenne "tout comme l'antenne d'un téléviseur qui est utilisée pour recevoir des signaux, " dit-il. Et ça, à son tour, améliore considérablement les interactions entre la lumière et le matériau sous la pointe. La lumière rétrodiffusée collectée à partir de ces interactions peut être analysée pour révéler beaucoup plus sur la surface que ce qui serait possible avec un AFM conventionnel.
Le résultat :« Vous pouvez obtenir une image de votre échantillon avec une résolution spatiale de trois ordres de grandeur supérieure à celle des mesures infrarouges classiques, " dit Ju. Dans des travaux antérieurs rapportés dans La nature , lui et ses collègues ont publié des images de graphène prises avec l'AFM et avec le nouvel outil. Il y a des points communs entre les deux, mais l'image en champ proche est criblée de lignes lumineuses qui ne sont pas visibles dans l'image AFM. Ce sont des murs de domaine, ou les interfaces entre deux sections différentes d'un matériau. Ces interfaces sont essentielles pour comprendre la structure et les propriétés d'un matériau.
Des images de détails similaires peuvent être capturées par microscopie électronique à transmission (MET), mais TEM a quelques inconvénients. Par exemple, il doit fonctionner sous ultra-vide, et les échantillons doivent être extrêmement minces pour être mis en suspension sur un film ou une membrane. "Le premier limite le débit expérimental, alors que ce dernier n'est pas compatible avec la plupart des matériaux, " dit Ju.
En revanche, le nanoscope en champ proche "peut fonctionner dans l'air, ne nécessite pas la suspension de l'échantillon, et vous pouvez travailler sur la plupart des substrats solides, " dit Ju.
L'image à gauche d'une surface de graphène a été prise en utilisant la microscopie à force atomique. L'image beaucoup plus détaillée à droite a été prise en ajoutant de la lumière infrarouge à la configuration grâce à un nouvel outil de laboratoire connu sous le nom de nanoscopie et spectroscopie infrarouge en champ proche. Le professeur adjoint Long Ju a conçu des versions personnalisées de cet outil pour le MIT. Crédit :Long Ju
De nombreuses applications
Ju note que l'outil de champ proche peut non seulement fournir des images haute résolution des hauteurs; l'analyse de la lumière rétrodiffusée de la pointe de la machine peut également donner des informations importantes sur les propriétés internes d'un matériau. Par exemple, il peut distinguer les métaux des isolants. Il peut également faire la distinction entre des matériaux ayant la même composition chimique mais des structures internes différentes (pensez au diamant par rapport à la mine de crayon).
Dans un exemple qu'il décrit comme « particulièrement cool, " Ju dit que l'instrument pourrait même être utilisé pour observer une transition matérielle de l'isolant au supraconducteur lorsque la température change. Il est également capable de surveiller les réactions chimiques à l'échelle nanométrique.
Ju note également que le nouvel outil peut être utilisé de différentes manières à des fins différentes. Par exemple, il a dit, la pointe de l'outil peut être balayée sur une surface tout en étant irradiée avec une longueur d'onde de lumière définie, ou la pointe peut être garée sur une certaine zone et sondée avec une lumière de différentes longueurs d'onde. Différentes longueurs d'onde de la lumière interagissent différemment avec différents matériaux, donnant encore plus d'informations sur la composition d'un matériau donné ou d'autres caractéristiques.
Ju, qui est venu au MIT en 2019, aime beaucoup rencontrer d'autres chercheurs du MIT qui pourraient avoir des applications pour sa machine. « C'est passionnant de travailler avec des personnes de différents domaines de recherche. Vous pouvez travailler ensemble pour générer de nouvelles idées à la pointe de la technologie. »
