Научная
деятельность
Университет ИТМО

Наномир в новом свете: ученые Университета ИТМО создали «белый» ближнепольный оптический микроскоп

Ученые Университета ИТМО показали, что наночастица из кремния и золота может служить эффективным источником белого света при накачке импульсным лазером в ближнем инфракрасном диапазоне. Такая белая «нанолампочка» была интегрирована в стандартный зондовый микроскоп, что позволило преодолеть дифракционный предел в оптических измерениях и рассмотреть объекты меньше длины волны. Более того, оказалось возможным изучать оптический отклик нанообъектов сразу во всем видимом спектральном диапазоне, а не только на отдельных длинах волн света. Новая технология не только может удешевить и упростить современную ближнепольную микроскопию, но имеет потенциал применения для биоимиджинга, то есть найдет применение и в медицинских приложениях. Сейчас на разработку оформляется патент, а ее описание опубликовано в престижном международном журнале Nano Letters.

Проблема

Для того чтобы рассмотреть объект в классическом оптическом микроскопе, используя видимый свет, этот свет фокусируют с помощью линз. Однако если объект меньше используемых длин волн света, то рассмотреть его в деталях невозможно. Это фундаментальное ограничение называется дифракционным пределом. Оно объясняется тем, что электромагнитное поле, несущее информацию об объекте с пространственным разрешением меньше длины волны света, локализовано вблизи объекта, в так называемой ближней зоне, и недоступно для наблюдения издалека. Сегодня существуют технологии, которые позволяют преодолевать это ограничение — например, ближнепольная оптическая микроскопия. В этом случае электромагнитное поле исследуемого объекта измеряется непосредственно в ближней зоне. Для этого к объекту на минимальное расстояние подводится зонд, который способен провзаимодействовать с локализованным электромагнитным полем и рассеять его в дальнюю зону, где оно уже может быть зарегистрировано обычными детекторами.

Однако большинство методик оптической микроскопии сталкивается со значительными трудностями, когда возникает необходимость визуализации нанообъектов в широком спектральном диапазоне. Дело в том, что для разных длин волн, например, белого света, линзы преломляют свет по-разному, а это значит, что получаемое изображение будет искажено. У ближнепольной оптической микроскопии другая проблема: из-за малой эффективности взаимодействия локализованного поля с зондом требуются большие мощности засветки, чтобы получить достаточный для измерения уровень сигнала. При этом лишь малая часть излучения доходит до объекта исследования, в то время как остальное теряется или поглощается, что может привести к  нагреву и повреждению зонда или объекта. Поэтому, чтобы получить информацию об объекте с субволновым разрешением в широком спектре, исследователи всего мира часто часами «перебирают» длины волн, то есть сканируют объект сначала на одной длине волны, затем на другой и так далее, пока не покроют весь спектр.

Исследователи Университета ИТМО решили эту проблему, подведя к объекту микроскопии миниатюрный источник белого света в виде наночастицы из кремния и золота. Особенность такого источника излучения в том, что он светит в необычайно широком диапазоне длин волн: от 400 нм до 1000 нм. За высокую яркость и чистый белый цвет ученые назвали его «нанолампочкой». С помощью одного этого источника можно регистрировать и анализировать оптический отклик всевозможных наноструктур с субволновым разрешением, определяемым не длиной волны света, а размером наночастицы, сразу во всем видимом спектре излучения. Из-за этого в разы повышается эффективность и скорость микроскопии.

Как это работает

Чтобы получить нанолампочку, ученые кафедры нанофотоники и метаматериалов напечатали наночастицу из кремния и золота. Чтобы частица начала излучать, то есть испускать фотоны, ее подсвечивают фемтосекундным инфракрасным лазером. Из-за сообщенной энергии электроны «перескакивают» на более высокие энергетические уровни, а затем начинают «скатываться» на дно зоны проводимости кремния, испуская фотоны на разных длинах волн.

«Нанолампочка», яркое свечение которой видно при помощи обыкновенной фотокамеры через дополнительный объектив
«Нанолампочка», яркое свечение которой видно при помощи обыкновенной фотокамеры через дополнительный объектив

«Кремний сам по себе – это плохой материал для получения излучения, так как он является непрямозонным полупроводником. То есть, если светить на него лазером, он поглотит, грубо говоря, миллион фотонов, а излучит всего один. Однако он очень дешевый и его можно получать буквально из песка. Поэтому сегодня человечество стремится найти как можно больше применений кремнию: в солнечной энергетике, фотоприемниках, микроэлектонике и других областях. Мы же смогли найти кремнию неожиданное применение и создали на его основе яркий наноразмерный источник белого света, используя его основной “недостаток” – непрямозонность, которая позволяет испускать фотоны с энергиями от 3.4 до 1.1 электрон-Вольт», – подчеркнул старший научный сотрудник кафедры Сергей Макаров.

На удивительные свойства нанолампочки влияют два фактора, добавил Иван Синев, аспирант кафедры. Во-первых, сама лазерная накачка происходит очень мощными и короткими импульсами, которые обеспечивают генерацию белого света в кремнии, но при этом не приводят к разрушению материала из-за нагрева. Во-вторых, золото, добавляемое к кремнию на этапе создания частиц, делает излучение на порядок более ярким. Так, золото увеличивает коэффициент поглощения света, а также влияет на эффективность фотогенерации электронов на верхние энергетические уровни и их излучательной рекомбинации.

«Кроме того, на границе двух материалов, золота и кремния, возникают интерфейсы, через которые излучательная рекомбинация электронов идет лучше. Здесь задействовано очень много физических механизмов, которые мы еще не все изучили, поэтому нанолампочка требует еще теоретической работы, в том числе по созданию модели излучения», – сказал Иван Синев.

Создатель «нанолампочки» Иван Синев и Сергей Макаров
Создатель «нанолампочки» Иван Синев и Сергей Макаров

Он отметил, что плюс нанолампочки еще и в том, что генерацию видимого света в ней вызывает лазер инфракрасной длины волны. Благодаря этому удается лучше избавляться от лишних «шумов» в оптическом сигнале за счет фильтрации рассеянного инфракрасного света, что помогает эффективнее регистрировать полезный сигнал.

По словам ученых, этот удивительный эффект был обнаружен неожиданно в ходе экспериментов по лазерной печати наночастиц золота с кремнием и тестирования их нелинейных оптических свойств. Подобные частицы сферической формы получают в результате определенного воздействия лазером на двухслойные пленки. Работы в области лазерной печати наночастиц проводятся на кафедре нанофотоники и метаматериалов с 2015 года.

«Сначала мы просто отрабатывали лазерную печать частиц, состоящих из золота и кремния. Мы рассчитывали сделать из каждой полученной наночастицы обычный эффективный преобразователь инфракрасного света в ультрафиолетовый или зеленый на основе известной методики генерации гармоник, то есть удвоения, утроения частоты излучения за счет нелинейных эффектов. Когда мы начали мерить излучение, то увидели, что, да, гармонику удалось сгенерировать эффективно, но как сделать это еще лучше? Мы решили усилить лазерное излучение, и оказалось, что на более высоких мощностях частица меняет свой “цвет” и превращается в нанолампочку – яркий источник белого света. Потребовался еще почти год, чтобы понять, как этим можно управлять и как это можно использовать. Кроме того, в процессе подготовки публикации нам очень помог Юрий Кившарь», – рассказал Сергей Макаров.

Принцип ближнепольной микроскопии на основе наноразмерного источника белого света. Наконечник зонда разработанного микроскопа в рабочем режиме, где размер светящийся частицы 150 нм.
Принцип ближнепольной микроскопии на основе наноразмерного источника белого света. Наконечник зонда разработанного микроскопа в рабочем режиме, где размер светящийся частицы 150 нм.

Как будет использоваться нанолампочка

По предложению Антона Самусева, научного сотрудника Университета ИТМО, полученную нанолампочку перенесли на обычный зонд атомно-силового микроскопа с помощью методики, разработанной также на кафедре нанофотоники и метаматериалов Иваном Мухиным и Филиппом Комиссаренко. Зонд позволяет поднести яркий источник видимого света непосредственно к исследуемому объекту, что многократно усиливет взаимодействие ближних полей. Сигнал излучения такой наночастицы вблизи объекта регистрируется и раскладывается на спектр с помощью обычного спектрометра. Таким образом, нанолампочку можно интегрировать в стандартное оборудование для микроскопии, иными словами ее можно «насадить» на любой зонд, а получаемый с ее использованием сигнал регистрировать обычными фотодетекторами и одновременно получать информацию о ближнем поле нанообъектов во всем видимом спектральном диапазоне. Таким образом, наночастица кремния и золота делает системы микроскопии не только более универсальными, но и более дешевыми.

«Также у нас есть идея использовать нанолампочку в качестве нанолазера. Если положить такую наночастицу в резонатор, который может менять рабочую длину волны, то мы можем получить перестраиваемый лазер – такой, который будет светить на любой заданной длине волны видимого спектра. Кроме того, нанолампочка может найти свои применения и в биологии для “подсветки” клеток и детектирования веществ, чувствительных к длинам волн определенного спектрального диапазона», – добавил Иван Синев.

Сейчас на разработку нанолампочки оформляется патент, а ученые будут продолжать исследовать ее фундаментальные и прикладные свойства.

Статья: Nanoscale Generation of White Light for Ultrabroadband Nanospectroscopy, S. V. Makarov*, I. S. Sinev, V. A. Milichko, F. E. Komissarenko, D. A. Zuev, E. V. Ushakova, I. S. Mukhin, Y. F. Yu, A. I. Kuznetsov, P. A. Belov, I. V. Iorsh, A. N. Poddubny, A. K. Samusev, and Yu. S. Kivshar, Nano Letters, 2017.