La forme cristalline et la hauteur d'un matériau appelé PTCDA, avec la hauteur représentée par l'ombrage (le blanc est plus grand, l'orange plus foncé est le plus bas). La barre d'échelle blanche représente 500 nanomètres. L'illustration en bas est une représentation de la forme du cristal. Crédit :Berkeley Lab, CU-bouler
Détailler la composition moléculaire des matériaux, des cellules solaires aux diodes électroluminescentes organiques (DEL) et aux transistors, et des protéines importantes sur le plan médical - n'est pas toujours un processus limpide.
Pour comprendre le fonctionnement des matériaux à ces échelles microscopiques, et de mieux concevoir les matériaux pour améliorer leur fonction, il faut non seulement tout connaître de leur composition mais aussi de leur arrangement moléculaire et de leurs imperfections microscopiques.
Maintenant, une équipe de chercheurs travaillant au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie a démontré l'imagerie infrarouge d'un semi-conducteur organique connu pour ses capacités électroniques, révélant des détails nanométriques clés sur la nature de ses formes et orientations cristallines, et les défauts qui affectent également ses performances.
Pour réaliser cette percée en imagerie, des chercheurs de l'Advanced Light Source (ALS) de Berkeley Lab et de l'Université du Colorado-Boulder (CU-Boulder) ont combiné la puissance de la lumière infrarouge de l'ALS et de la lumière infrarouge d'un laser avec un outil appelé microscope à force atomique. L'ALS, un synchrotron, produit de la lumière dans une gamme de longueurs d'onde ou de "couleurs" - de l'infrarouge aux rayons X - en accélérant les faisceaux d'électrons proches de la vitesse de la lumière dans les virages.
Les chercheurs ont concentré les deux sources de lumière infrarouge sur la pointe du microscope à force atomique, qui fonctionne un peu comme une aiguille de tourne-disque :elle se déplace sur la surface d'un matériau et mesure les caractéristiques de surface les plus subtiles lorsqu'elle se soulève et s'enfonce.
La technique, détaillé dans une édition récente de la revue Avancées scientifiques , permet aux chercheurs de régler la lumière infrarouge sur des liaisons chimiques spécifiques et leur disposition dans un échantillon, afficher les caractéristiques détaillées du cristal, et explorer l'environnement chimique à l'échelle nanométrique dans des échantillons.
"Notre technique est largement applicable, " a déclaré Hans Bechtel, un scientifique de la SLA. " Vous pouvez l'utiliser pour de nombreux types de matériaux - la seule limitation est qu'il doit être relativement plat " afin que la pointe du microscope à force atomique puisse se déplacer à travers ses pics et ses vallées.
Les chercheurs ont mesuré l'orientation moléculaire des cristaux (gris clair et blanc) dans des échantillons d'un matériau semi-conducteur connu sous le nom de PTCDA. La barre d'échelle est de 500 nanomètres. Les points colorés correspondent à l'orientation des cristaux dans la barre de couleur à gauche. Les figures à l'extrême gauche montrent la pointe du microscope à force atomique par rapport à différentes orientations cristallines. Crédit :Berkeley Lab, CU-bouler
Markus Raschke, un professeur de CU-Boulder qui a développé la technique d'imagerie avec Eric Muller, un chercheur postdoctoral dans son groupe, mentionné, « Si vous connaissez la composition moléculaire et l'orientation de ces matériaux organiques, vous pouvez optimiser leurs propriétés de manière beaucoup plus simple.
"Ce travail éclaire la conception des matériaux. La sensibilité de cette technique passe d'une moyenne de millions de molécules à quelques centaines, et la résolution d'imagerie va de l'échelle du micron (millionièmes de pouce) à l'échelle nanométrique (milliardièmes de pouce), " il a dit.
La lumière infrarouge du synchrotron fournissait la large bande essentielle du spectre infrarouge, ce qui le rend sensible à de nombreuses liaisons chimiques différentes en même temps et fournit également l'orientation moléculaire de l'échantillon. Le laser infrarouge conventionnel, avec sa gamme de lumière infrarouge haute puissance mais étroite, pendant ce temps, a permis aux chercheurs de zoomer sur des liaisons spécifiques pour obtenir une imagerie très détaillée.
« Ni le synchrotron ALS ni le laser seuls ne nous auraient donné ce niveau de compréhension microscopique, " Raschke a dit, tandis que la combinaison des deux a fourni une sonde puissante "supérieure à la somme de ses parties".
Il y a dix ans, Raschke a d'abord exploré la nano-spectroscopie infrarouge basée sur le synchrotron en utilisant le synchrotron BESSY à Berlin. Avec son aide et celle des scientifiques de la SLA Michael Martin et Bechtel, l'ALS est devenu en 2014 le premier synchrotron à offrir une imagerie infrarouge à l'échelle nanométrique aux scientifiques invités.
La technique est particulièrement utile pour l'étude et la compréhension des "matériaux fonctionnels" qui possèdent des propriétés photoniques particulières, électronique, ou des propriétés de conversion d'énergie ou de stockage d'énergie, il a noté.
En principe, il ajouta, la nouvelle avancée dans la détermination de l'orientation moléculaire pourrait être adaptée aux études biologiques des protéines. "L'orientation moléculaire est essentielle pour déterminer la fonction biologique, ", a déclaré Raschke. L'orientation des molécules détermine la façon dont l'énergie et la charge circulent des membranes cellulaires aux matériaux de conversion de l'énergie solaire moléculaire.
La lumière infrarouge (rose) produite par le synchrotron Advanced Light Source de Berkeley Lab (en haut à gauche) et un laser conventionnel (au milieu à gauche) est combinée et focalisée sur la pointe d'un microscope à force atomique (gris, en bas à droite), où il est utilisé pour mesurer des détails à l'échelle nanométrique dans un échantillon de cristal (rouge foncé). Crédit :Berkeley Lab, CU-bouler
Bechtel a déclaré que la technique infrarouge permet une résolution d'imagerie jusqu'à environ 10-20 nanomètres, qui peut résoudre des fonctionnalités jusqu'à 50, 000 fois plus petit qu'un grain de sable.
La technique d'imagerie utilisée dans ces expériences, connue sous le nom de « microscopie optique à champ proche à balayage de type diffusion », " ou s-SNOM, utilise essentiellement la pointe du microscope à force atomique comme antenne ultrasensible, qui transmet et reçoit une lumière infrarouge focalisée dans la région de l'apex de la pointe. Lumière diffuse, capturé à partir de la pointe lorsqu'il se déplace sur l'échantillon, est enregistré par un détecteur pour produire des images à haute résolution.
"C'est non invasif, et il fournit des informations sur les vibrations moléculaires, " lorsque la pointe du microscope se déplace sur l'échantillon, dit Bechtel. Les chercheurs ont utilisé cette technique pour étudier les caractéristiques cristallines d'un matériau semi-conducteur organique connu sous le nom de PTCDA (dianhydride pérylènetétracarboxylique).
Les chercheurs ont signalé avoir observé des défauts dans l'orientation de la structure cristalline du matériau qui fournissent une nouvelle compréhension du mécanisme de croissance des cristaux et pourraient aider à la conception de dispositifs moléculaires utilisant ce matériau.
La nouvelle capacité d'imagerie ouvre la voie à un nouveau centre de la National Science Foundation, annoncé fin septembre, qui relie CU-Boulder avec Berkeley Lab, UC Berkeley, Université internationale de Floride, UC Irvine, et Fort Lewis College à Durango, Colo. Le centre combinera une gamme de méthodes d'imagerie microscopique, y compris ceux qui utilisent des électrons, rayons X, Et léger, dans un large éventail de disciplines.
Ce centre, surnommé STROBE pour Science and Technology Center on Real-Time Functional Imaging, sera dirigé par Margaret Murnane, un professeur distingué à CU-Boulder, avec Raschke en tant que co-responsable.
Au laboratoire de Berkeley, STROBE sera servi par une gamme de capacités ALS, dont les lignes infrarouges gérées par Bechtel et Martin et une nouvelle ligne de lumière baptisée COSMIC (pour "coherent scattering and microscopy"). Il bénéficiera également des outils d'analyse de données développés par Berkeley Lab.
