Профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политехнического университета Рауль Родригес разрабатывает уникальную методику измерения оптического поглощения материала в разных диапазонах видимого света с разрешением в четыре нанометра. На сегодняшний день это наименьшее разрешение в измерении оптического поглощения во всем мире. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Photonics (IF: 6,756; Q1).

При изучении оптических свойств наноструктур, даже при использовании самого мощного в мире микроскопа, можно получить разрешение лишь в сотни нанометров. Но в уникальном методе Рауля Родригеса и его команды впервые доказано, что в оптическом диапазоне возможно добиться и четырех нанометров — на сегодняшний день это рекордный предел разрешения в измерении оптического поглощения.

«С помощью органических солнечных батарей можно получать электроэнергию просто покрасив крышу дома специальной чувствительной краской. Но у таких батарей есть проблемы с эффективностью и стабильностью. Для того чтобы разобраться, что происходит у них на молекулярном уровне, на уровне полимеров, необходимо измерить распределение абсорбции для разных длин волн. С наноразрешением это можно сделать как раз благодаря нашему методу»,

 — объясняет Рауль Родригес.

Метод ученых основан на использовании кантилеверов для атомно-силовой микроскопии. Зонд — игла на конце кантилевера с радиусом пять-восемь нанометров (для сравнения, размер одной базы ДНК — два нанометра) — подводится близко к образцу, и между ними происходит притяжение или отталкивание. В результате взаимодействия изменяется амплитуда колебаний кантилевера. В таких условиях микроскоп способен сканировать и показывать трехмерную картину поверхности.

Но кроме формы этой поверхности необходимо измерить и ее оптические свойства. Для этого команда Родригеса использует лазерное излучение. Если материал его поглощает, то тот начинает нагреваться и термически расширяться. Поскольку такое расширение очень маленькое, для его измерения необходим чувствительный метод атомно-силовой микроскопии, который позволяет увидеть даже изменение высоты в один атом.

«Чтобы это технически реализовать, мы используем несколько дополнительных "трюков". Например, лазер модулируется на резонансной частоте зонда. Это значит, что свет включается и выключается с такой же частотой, с которой осциллирует (качается) зонд. Тогда наш материал начинает пульсировать на частоте лазера, зонд усиливает пульсацию объекта за счет резонансных эффектов, и она становится достаточно большой для того, чтобы ее измерить», — рассказывает политехник.

Отметим, что зонды в рамках данного исследования изготавливаются из золота — это принципиально из-за оптических свойств металла. На кончике зонда происходит дополнительное усиление лазерного света, и игла очень быстро и эффективно нагревается.

 

Иллюстрация принципа работы метода: золотой кантилевер с иглой-зондом освещается модулируемым лазерным излучением. В результате углеродные нанотрубки (черные) на стекле (SiO₂ ) термически расширяются, изменяя амплитуду колебаний кантилевера. Справа снизу: результат измерений на границе разледа нанотрубки-стекло.

Исследование проводится Раулем Родригесом совместно с командой ученых — профессором Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Евгенией Шеремет, приглашенными зарубежными экспертами Терезой И. Мадеирой, Евгением Борщаговским, Ашутошем Мухерджи, Михаэлем Хитчхольдом, Дитрихом Р.Т. Цаном и иностранными студентами.

Идея проекта появилась в 2012 году, когда компания Anasys разработала метод измерения абсорбции в инфракрасном диапазоне с наноразрешением. Он основан на похожем методе, что и метод политехников, но работает в другом спектральном диапазоне.

«Метод Anasys — это огромный шаг в науке, особенно в органике и биологии, потому что теперь можно визуализировать химических состав веществ на поверхности в нанодиапазоне. Но ни они, ни другие ученые мира не работали в оптическом диапазоне. Мы решили, что можем это сделать первыми»,

— отмечает Евгения Шеремет.

Команда начала работать в рамках гранта SMINT FOR 1713 (Sensoric Micro- and Nanosystems) — большой программы, финансируемой немецким исследовательским сообществом (Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG). Ученым проекта были необходимы методы для исследования наноэлектрониики на основе углеродных нанотрубок. Так, команда Родригеса исследовала транзисторы и контакты методом TERS (tip-enhanced Raman spectroscopy), а потом стала частью COST Action MP1302 — европейской сети ученых, которые работают в области наноспектроскопии, взаимодействуют с лучшими учеными мира, приглашают их в свои лаборатории.

«Благодаря COST Action нам удалось собрать команду экспертов в теоретической и инженерной областях разработки методики и сделать такую установку в Хемнице, в Германии. Результаты, представленные в статье, были получены именно там. Сейчас, приехав в ТПУ, мы собираем ресурсы, чтобы воссоздать и развить эту методику в университете. Это будет уникальная и единственная методика в мире,

— подчеркивает Евгения Шеремет. — На сегодняшний день мы показали возможности разрешения, и теперь нам нужно исследовать эффекты оптического поглощения и теплопроводности. Надеемся, в этом нам помогут эксперты из Инженерной школы новых производственных технологий ТПУ, у которых есть оборудование и экспертиза, необходимые для данных исследований».

Полное содержание публикации Рауля Родригеса и его команды можно посмотреть здесь.