La microscopía electrónica ultrarrápida conduce a un gran avance

Cualquiera que haya estado alguna vez en el Gran Cañón puede sentir la fuerte sensación de estar cerca de uno de los confines de la naturaleza. De manera similar, los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) encontraron que las nanopartículas de oro funcionan inusualmente cerca del borde de una hoja de carbono de un átomo de espesor llamada grafeno. Esto podría tener implicaciones de gran alcance para el desarrollo de nuevos sensores y dispositivos cuánticos.

Este descubrimiento fue posible gracias al microscopio electrónico de ultrasonido (UEM) recién creado en el Centro de nanomateriales de Argonne (CNM), instalación para usuarios de la Oficina de ciencia del DOE. UEM permite que las imágenes exploren fenómenos a nanoescala en menos de un billón de billones de segundos. Este descubrimiento podría desencadenar un campo creciente de plasmónicos, que implica la emisión de ondas de electrones por la luz que incide en la superficie de la materia, conocida como plasmónico los campos.

Durante años, los científicos han estado desarrollando dispositivos plasmónicos con una amplia gama de aplicaciones, desde el procesamiento de información cuántica hasta la optoelectrónica (que combina componentes electrónicos y de luz) y sensores para fines biológicos y médicos. Para ello, combinan materiales bidimensionales de nivel atómico, como el grafeno, con partículas metálicas de nanopartículas. Comprender el comportamiento plasmónico combinado de estas dos sustancias diferentes requiere una comprensión clara de cómo se combinan.

Como resultado de la investigación del argón, los científicos utilizaron un microscopio electrónico de alta velocidad para observar directamente el enlace entre las nanopartículas de oro y el grafeno.

«Los plasmones de superficie son oscilaciones de electrones inducidas por electrones en la superficie de una nanopartícula o en la interfaz de otro material de nanopartículas», dice el experto en nanociencia de Argonne, Hihua Lew. «Cuando arrojamos luz sobre una nanopartícula, crea un campo de plasmón a corto plazo. Nuestros electrones de pulso UEM interactúan con este campo corto երբ cuando los dos coinciden, և los electrones ganan energía o la pierden. Luego recolectamos los electrones que reciben energía a través del filtro de energía para mapear las distribuciones del campo plasmónico alrededor de la nanopartícula ”.

Al estudiar oro nanopartículasLew y sus colegas descubrieron un fenómeno inusual. Cuando la nanopartícula aterrizó en una hoja plana de grafeno, el campo plasmónico era uniforme. Pero cuando la nanopartícula se colocó cerca del borde del grafeno, el campo plasmónico estaba mucho más concentrado cerca del borde.

«Esta es una forma nueva y notable de pensar sobre cómo podemos aprovechar la carga en forma de otros fenómenos de campo plasmónico utilizando luz en nanomateriales», dijo Liu. «En presencia de capacidades ultrarrápidas, no cabe duda de lo que podemos ver cuando cambiamos diferentes materiales, sus propiedades».

Todo este proceso experimental, desde la excitación de las nanopartículas hasta la detección del campo de plasmones, se lleva a cabo en menos de unas pocas centenas de millonésimas de segundo.

«CNM es único en la instalación de UEM, que está abierto al acceso de los usuarios, capaz de tomar medidas en resolución espacial nanométrica con una resolución de subcuadrados por segunda vez», dijo el CEO de CNM, Ilke Arslan. «La capacidad de realizar tales mediciones en un período de tiempo tan corto abre el estudio de una amplia gama de nuevos fenómenos en estados desequilibrados que no habíamos podido estudiar antes. a la comunidad internacional de usuarios «.

Comprender el mecanismo de conexión de este sistema de nanopartículas-grafeno debería ser la clave para el futuro desarrollo de nuevos y emocionantes dispositivos de plasmón.

El artículo basado en el estudio «Reflejo de las uniones de plasmón por microscopio electrónico de alta velocidad» apareció en la edición del 21 de junio. Nano letras:. Además de Lewis ս Arslan, otros autores incluyen a Argon Thomas Gage, Richard Schaller և Stephen Gray. Prem Singh և Amit isiswall del Instituto Indio de Tecnología también contribuyó, al igual que Yu Tang de la Universidad Uhan և IDES, Inc. de Sang Tae Park, Inc.