La nouvelle photographie couleur utilisant une sonde à haute efficacité peut super-focaliser la lumière blanche dans un spot de 6 nanomètres pour une imagerie couleur à l’échelle nanométrique.
Les scientifiques ont développé de nouveaux matériaux pour l’électronique de nouvelle génération si minuscules qu’ils sont non seulement impossibles à distinguer lorsqu’ils sont étroitement emballés, mais ils ne reflètent pas non plus suffisamment la lumière pour montrer des détails fins, tels que les couleurs, même avec les microscopes optiques les plus puissants. Au microscope optique, les nanotubes de carbone, par exemple, paraissent grisâtres. L’incapacité à distinguer les petits détails et les différences entre les différents morceaux de nanomatériaux rend difficile pour les scientifiques d’étudier leurs propriétés uniques et de découvrir des moyens de les perfectionner pour une utilisation industrielle.
Dans un nouveau rapport en Communication Nature, des chercheurs de l’UC Riverside décrivent une technologie d’imagerie révolutionnaire qui compresse la lumière de la lampe en un point de la taille d’un nanomètre. Il détient cette lumière au bout d’un nanofil d’argent comme un étudiant de Poudlard pratiquant le sort “Lumos”, et l’utilise pour révéler des détails auparavant invisibles, y compris les couleurs.
L’avancée, améliorant la résolution de l’imagerie couleur à un niveau sans précédent de 6 nanomètres, aidera les scientifiques à voir les nanomatériaux avec suffisamment de détails pour les rendre plus utiles dans l’électronique et d’autres applications.
La lumière « blanche » d’une lampe au tungstène est focalisée dans la pointe d’un nanofil d’argent pour vérifier la diffusion et l’absorption de la lumière d’un échantillon avec une haute fidélité. Crédit : Ma et. al, 2021
Ming Liu et Ruoxue Yan, professeurs agrégés au Marlan et Rosemary Bourns College of Engineering de l’UC Riverside, ont développé cet outil unique avec une technique de superfocalisation développée par l’équipe. La technique a été utilisée dans précédent travail d’observer la vibration des liaisons moléculaires à une résolution spatiale de 1 nanomètre sans avoir besoin d’une lentille de focalisation.
Dans le nouveau rapport, Liu et Yan ont modifié l’outil pour mesurer des signaux couvrant toute la plage de longueurs d’onde visibles, qui peuvent être utilisés pour rendre la couleur et représenter les structures de bandes électroniques de l’objet au lieu des seules vibrations des molécules. L’outil compresse la lumière d’une lampe au tungstène dans un nanofil d’argent avec une diffusion ou une réflexion proche de zéro, où la lumière est transportée par l’onde d’oscillation des électrons libres à la surface de l’argent.
Cette visualisation montre le processus de fibre dans la fibre pour la mesure par spectroscopie optique. Crédit : Liu Group/UCR
La lumière condensée quitte la pointe du nanofil d’argent, qui a un rayon de seulement 5 nanomètres, dans un chemin conique, comme le faisceau lumineux d’une lampe de poche. Lorsque la pointe passe sur un objet, son influence sur la forme et la couleur du faisceau est détectée et enregistrée.
“C’est comme si vous utilisiez votre pouce pour contrôler le jet d’eau d’un tuyau”, a déclaré Liu, “Vous savez comment obtenir le motif de pulvérisation souhaité en changeant la position du pouce, et de même, dans l’expérience, nous lisons le motif lumineux à récupérer les détails de l’objet bloquant la buse lumineuse de 5 nm.
La lumière est ensuite focalisée dans un spectromètre, où elle forme un minuscule anneau. En balayant la sonde sur une zone et en enregistrant deux spectres pour chaque pixel, les chercheurs peuvent formuler les images d’absorption et de diffusion avec des couleurs. Les nanotubes de carbone à l’origine grisâtres reçoivent leur première photographie en couleur, et un nanotube de carbone individuel a maintenant la chance d’exposer sa couleur unique.
“Le nanofil d’argent à pointe pointue atomiquement lisse et son couplage optique et sa focalisation presque sans dispersion sont essentiels pour l’imagerie”, a déclaré Yan. « Sinon, il y aurait une lumière parasite intense en arrière-plan qui gâcherait tout l’effort. “
Les chercheurs s’attendent à ce que la nouvelle technologie puisse être un outil important pour aider l’industrie des semi-conducteurs à fabriquer des nanomatériaux uniformes avec des propriétés cohérentes pour une utilisation dans les appareils électroniques. La nouvelle technique de nano-imagerie en couleur pourrait également être utilisée pour améliorer la compréhension de la catalyse, de l’optique quantique et de la nanoélectronique.
Référence : « Imagerie spectroscopique de transmission optique et de diffusion super-résolution 6 nm de nanotubes de carbone à l’aide d’une source de lumière blanche à l’échelle nanométrique » par Xuezhi Ma, Qiushi Liu, Ning Yu, Da Xu, Sanggon Kim, Zebin Liu, Kaili Jiang, Bryan M Wong, Ruoxue Yan et Ming Liu, 25 novembre 2021, Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-021-27216-5
Liu, Yan et Ma ont été rejoints dans la recherche par Xuezhi Ma, qui a travaillé sur le projet dans le cadre de sa recherche doctorale à l’UCR Riverside. Les chercheurs comprenaient également les étudiants de l’UCR Qiushi Liu, Ning Yu, Da Xu, Sanggon Kim; Zebin Liu et Kaili Jiang à l’Université Tsinghua, et le professeur UCR Bryan Wong.
