Microscope électronique ultrarapide au Centre des matériaux nanométriques d’Argonne. Crédit : Laboratoire National d’Argonne
Le microscope électronique ultrarapide ouvre de nouvelles voies pour le développement de capteurs et de dispositifs quantiques.
Tous ceux qui sont déjà allés dans le Grand Canyon peuvent ressentir des sentiments forts à cause de la proximité de l’un des bords de la nature. De même, des scientifiques du laboratoire national d’Argonne du département américain de l’Énergie (DOE) ont découvert que les nanoparticules d’or agissent de manière inhabituelle lorsqu’elles sont proches du bord d’unatome épaisse feuille de carbone, appelée graphène. Cela pourrait avoir de grandes implications pour le développement de nouveaux capteurs et dispositifs quantiques.
Cette découverte a été rendue possible grâce à un microscope électronique ultrarapide (UEM) nouvellement créé au Centre pour les matériaux à l’échelle nanométrique (CNM) d’Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science. L’UEM permet la visualisation et l’investigation de phénomènes à l’échelle nanométrique et sur des intervalles de temps inférieurs à un trillionième de seconde. Cette découverte pourrait faire sensation dans le domaine croissant de la plasmonique, qui implique que la lumière frappe une surface matérielle et déclenche des vagues d’électrons, appelées champs plasmoniques.
« Avec des capacités ultrarapides, on ne sait pas ce que nous pourrions voir lorsque nous ajustons différents matériaux et leurs propriétés. » – Haihua Liu, nanoscientifique d’Argonne
Pendant des années, les scientifiques ont poursuivi le développement de dispositifs plasmoniques avec un large éventail d’applications – du traitement de l’information quantique à l’optoélectronique (qui combine des composants basés sur la lumière et électroniques) aux capteurs à des fins biologiques et médicales. Pour ce faire, ils couplent des matériaux bidimensionnels avec une épaisseur de niveau atomique, comme le graphène, avec des particules métalliques de taille nanométrique. Comprendre le comportement plasmonique combiné de ces deux types de matériaux différents nécessite de comprendre exactement comment ils sont couplés.
Dans une étude récente d’Argonne, les chercheurs ont utilisé la microscopie électronique ultrarapide pour examiner directement le couplage entre les nanoparticules d’or et le graphène.
“Les plasmons de surface sont des oscillations électroniques induites par la lumière à la surface d’une nanoparticule ou à l’interface d’une nanoparticule et d’un autre matériau”, a déclaré Haihua Liu, nanoscientifique d’Argonne. «Lorsque nous éclairons la nanoparticule, cela crée un champ plasmonique de courte durée. Les électrons pulsés de notre UEM interagissent avec ce champ de courte durée lorsque les deux se chevauchent, et les électrons gagnent ou perdent de l’énergie. Ensuite, nous collectons les électrons qui gagnent de l’énergie à l’aide d’un filtre énergétique pour cartographier les distributions de champ plasmonique autour de la nanoparticule.
En étudiant les nanoparticules d’or, Liu et ses collègues ont découvert un phénomène inhabituel. Lorsque la nanoparticule reposait sur une feuille plate de graphène, le champ plasmonique était symétrique. Mais lorsque la nanoparticule était positionnée près d’un bord de graphène, le champ plasmonique s’est concentré beaucoup plus fortement près de la région du bord.
“C’est une nouvelle façon remarquable de penser à la façon dont nous pouvons manipuler la charge sous la forme d’un champ plasmonique et d’autres phénomènes en utilisant la lumière à l’échelle nanométrique”, a déclaré Liu. « Avec des capacités ultrarapides, on ne sait pas ce que nous pourrions voir lorsque nous ajustons différents matériaux et leurs propriétés. »
Tout ce processus expérimental, de la stimulation de la nanoparticule à la détection du champ plasmonique, se déroule en moins de quelques centaines de quadrillions de seconde.
« Le CNM est unique en ce qu’il héberge un UEM ouvert à l’accès des utilisateurs et capable de prendre des mesures avec une résolution spatiale nanométrique et une résolution temporelle inférieure à la picoseconde », a déclaré la directrice du CNM, Ilke Arslan. « Avoir la possibilité de prendre des mesures comme celle-ci dans une fenêtre de temps si courte ouvre l’examen d’un vaste éventail de nouveaux phénomènes dans des états de non-équilibre que nous n’avons pas eu la possibilité de sonder auparavant. Nous sommes ravis de fournir cette capacité à la communauté internationale des utilisateurs.
La compréhension acquise en ce qui concerne le mécanisme de couplage de ce système nanoparticule-graphène devrait être la clé du développement futur de nouveaux dispositifs plasmoniques passionnants.
Référence : « Visualisation des couplages plasmoniques à l’aide de la microscopie électronique ultrarapide », parue dans l’édition du 21 juin de Nano lettres.
DOI : 10.1021/acs.nanolett.1c01824
Un article basé sur l’étude, “Visualisation des couplages plasmoniques à l’aide de la microscopie électronique ultrarapide”, est paru dans l’édition du 21 juin de Nano lettres. En plus de Liu et Arslan, d’autres auteurs incluent Thomas Gage d’Argonne, Richard Schaller et Stephen Gray. Prem Singh et Amit Jaiswal de l’Institut indien de technologie ont également contribué, tout comme Jau Tang de l’Université de Wuhan et Sang Tae Park d’IDES, Inc.
La recherche a été financée par le Bureau des sciences fondamentales de l’énergie du DOE.
