Para diseñar la próxima generación de dispositivos ópticos, que van desde paneles solares eficientes hasta LED y transistores ópticos, Los ingenieros necesitarán una imagen tridimensional que muestre cómo la luz interactúa con estos objetos en la nanoescala.
Desafortunadamente, la física de la luz ha puesto un obstáculo en las técnicas de imagen tradicionales:cuanto más pequeño es el objeto, cuanto menor sea la resolución de la imagen en 3-D.
Ahora, ingenieros de Stanford y del Instituto FOM AMOLF, un laboratorio de investigación en los Países Bajos, han desarrollado una técnica que permite visualizar las propiedades ópticas de objetos que tienen varias milésimas del tamaño de un grano de arena, en 3-D y con resolución a escala nanométrica.
La investigación se detalla en el número actual de Nanotecnología de la naturaleza .
La técnica implica una combinación única de dos tecnologías, catodoluminiscencia y tomografía, permitir la generación de mapas en 3-D del paisaje óptico de objetos, dijo el autor principal del estudio, Ashwin Atre, estudiante de posgrado en el grupo de laboratorio de Jennifer Dionne, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales.
El objeto objetivo en este experimento de prueba de principio era una media luna recubierta de oro de 250 nanómetros de diámetro, varios cientos de veces más delgada que un cabello humano. Para estudiar las propiedades ópticas de la media luna, primero lo fotografiaron usando un microscopio electrónico de barrido modificado. A medida que el haz de electrones enfocado atraviesa el objeto, excitó enérgicamente la media luna, haciendo que emita fotones, un proceso conocido como catodoluminiscencia.
Tanto la intensidad como la longitud de onda de los fotones emitidos dependían de qué parte del objeto excitaba el haz de electrones. Dijo Atre. Por ejemplo, la capa de oro en la base del objeto emitía fotones de longitudes de onda más cortas que cuando el rayo pasaba cerca del espacio en las puntas de la media luna.
Al escanear el rayo de un lado a otro sobre el objeto, los ingenieros crearon una imagen 2-D de estas propiedades ópticas. Cada píxel de esta imagen también contenía información sobre la longitud de onda de los fotones emitidos en las longitudes de onda del infrarrojo cercano y visible. Esta técnica de imágenes espectrales de catodoluminiscencia 2-D, promovido por el equipo de AMOLF, reveló las formas características en las que la luz interactúa con este objeto de escala nanométrica.
"Interpretando una imagen 2-D, sin embargo, puede ser bastante limitante, "Dijo Atre." Es como tratar de reconocer a una persona por su sombra. Realmente queríamos mejorar eso con nuestro trabajo ".
Para llevar la técnica a la tercera dimensión, los ingenieros inclinaron el nanocrescente y lo volvieron a escanear, recopilar datos de emisiones 2-D en varios ángulos, cada uno proporcionando mayor especificidad a la ubicación de la señal óptica.
Al usar tomografía para combinar esta serie de imágenes bidimensionales inclinadas, similar a cómo las imágenes de rayos X 2-D de un cuerpo humano se unen para producir una imagen CT 3-D, Atre y sus colegas crearon un mapa tridimensional de las propiedades ópticas del objeto. Este mapa experimental revela fuentes de emisión de luz en la estructura con una resolución espacial del orden de 10 nanómetros.
Por décadas, Las técnicas para obtener imágenes de interacciones luz-materia con resolución limitada por subdifracción se han limitado a 2D. "Este trabajo podría permitir una nueva era de imágenes ópticas 3D con resolución espacial y espectral a escala nanométrica, "dijo Dionne, que es un afiliado del Instituto Stanford de Ciencias de los Materiales y la Energía en SLAC.
La técnica se puede utilizar para sondear muchos sistemas en los que se emite luz tras la excitación de electrones.
"Tiene aplicaciones para probar varios tipos de materiales naturales y de ingeniería, "Atre dijo." Por ejemplo, podría usarse en la fabricación de LED para optimizar la forma en que se emite la luz, o en paneles solares para mejorar la absorción de luz por los materiales activos ".
La técnica podría incluso modificarse para obtener imágenes de sistemas biológicos sin la necesidad de marcadores fluorescentes.
