Стабильная наноскопия больших образцов методом рамановской спектроскопии

Рамановская спектроскопия — это неразрушающий метод химического анализа, предоставляющий информацию о молекулярной структуре, фазе и кристалличности. Однако её пространственное разрешение ограничено дифракционным пределом (~ половина длины волны света), что не позволяет достичь наномасштаба.

Для преодоления этого предела используют метод спектроскопии комбинационного рассеяния с усилением на острие (tip-enhanced Raman spectroscopy, TERS). В нём металлическое наноострие концентрирует свет в нанообъёме над образцом, что позволяет достичь разрешения ниже дифракционного предела.

Проблема: При TERS-визуализации неизбежные тепловые и вибрационные флуктуации вызывают дрейф наноострия. Это приводит к расфокусировке и искажению сигналов. Чтобы избежать этого, съёмку необходимо завершать в течение 30 минут, что ограничивает площадь сканирования 1 мкм² при наноразрешении.

Решение: Исследователи из Японии (Токусимский и Осакский университеты) разработали стабильную TERS-систему, не ограниченную коротким временным окном. Результаты опубликованы в Science Advances.

Ключевые усовершенствования системы:

  1. Система обратной связи для стабилизации фокуса: Следит за смещением сфокусированного источника света с помощью отражённого лазерного луча-гида и корректирует положение фокальной плоскости с помощью пьезосканнера объектива.
  2. Система компенсации дрейфа острия: Гальваносканеры постоянно фиксируют изображение лазерного пятна вокруг металлического наноострия. После каждого измеренного пикселя положение пятна корректируется в соответствии с новым положением острия, удерживая его на постоянной позиции.

Результаты: С помощью новой системы удалось провести визуализацию двумерной (2D) плёнки дисульфида вольфрама (WS2) с областью сканирования 1 × 4 мкм² в течение 6 часов (в 12 раз дольше обычного). Разрешение составило 10 нм без значительной потери оптического сигнала.

  • Были обнаружены уникальные дефекты, пропускаемые при обычной TERS-визуализации.
  • Показано, что плотность дефектов в крупных образцах WS2 (сопоставимых с размерами устройств) выше, чем сообщалось для малых образцов.

Значение: Новая технология открывает возможности для прецизионной характеризации поверхностных свойств оптоэлектронных материалов в масштабах, релевантных для устройств, а также для изучения биологических процессов, например, механизмов развития заболеваний.