成像水晶般清晰︰ 红外线带来光纳米分子安排
详细说明材料的分子结构 — — 从医学上重要的蛋白质与有机发光二极管 (Led) 和晶体管，太阳能电池 — — 并不总是清澈见底的过程。
了解材料如何在这些微观尺度上，和更好地设计材料，以改善其功能，是不是只知道所有关于他们组成，但也是其分子的排列和微观缺陷所需。
现在，一组研究人员在能源部的劳伦斯伯克利国家实验室 （伯克利实验室） 工作证明红外成像的有机半导体，其电子能力，揭示其晶体形状和方向，也会影响其性能的缺陷的性质有关的关键纳米级详细信息而闻名。
要实现此成像的突破，研究人员从伯克利实验室先进灯光源 (ALS) 的科罗拉多博尔德大学 (Boulder) 结合红外的灯从 ALS 和从激光红外的灯的电源称为原子力显微镜的工具。ALS，同步辐射加速器，产生光的波长或”颜色”的范围内 — — 从红外到 X 射线 — — 通过加速电子束附近在弯附近光的速度。
研究人员集中的红外灯上的原子力显微镜，哪些作品有点像电唱机针提示这两个来源 — — 它在材料表面的移动和措施最精微的表面特征，因为它提升，蘸。
技术，详细的科学进展 （”红外振动 nanocrystallography 和 nanoimaging） 杂志最近一期，使得研究人员能够调红外灯特定化学键和他们的安排在样品上，显示详细的晶区的特征，并探讨纳米化学环境样品中。
这张照片的晶体形状和高度的一种材料称为苝酐，高度由底纹 (白色是高，暗橙色是最低)。条码秤代表 500 纳米。在底部的插图是结晶形状的表示。(信用︰-Boulder 伯克利国家实验室)
汉斯 Bechtel ALS 科学家说:”我们的技术是广泛适用的”。”你可以用这许多类型的材料 — — 唯一的限制是它必须要相对平坦”，尖端的原子力显微镜可以跨越其高峰和低谷。
马库斯 · 拉舍克，铜-博尔德教授开发成像技术与埃里克 · 穆勒，他的集团的博士后研究人员说，”如果你知道这些有机材料中的定位与分子组成，然后以更直接的方式，可以优化其性能。
“这项工作在通知材料设计。这种技术的敏感性去几百里，从数以百万计的分子平均和成像分辨率从微米尺度 （百万分之英寸） 去纳米 （十亿分之一的一英寸），”他说。
同步辐射的红外线提供必不可少的宽频带的红外光谱，使它在同一时间敏感到许多不同的化学物质债券，还提供了样品的分子取向。传统的红外激光，但其高功率红外灯，同时，使研究人员能够放大特定债券获得非常详细的成像范围狭窄。
“既不是 ALS 同步，也不是单独的激光会给我们这种级别的微观洞察力，”拉舍克说，虽然两者的结合提供了一个强大的探测器”大于其各部分之和”。
拉舍克十年前第一次探索基于同步辐射的红外纳米光谱使用 BESSY 同步辐射在柏林。在他的帮助与 ALS 科学家迈克尔 · 马丁和 Bechtel，ALS 在 2014 年成为了第一个同步加速器提供纳米红外成像对来访的科学家。
这项技术是特别有用的研究和理解的所谓的”功能材料”，拥有特别光子、 电子、 或能量转换或能量存储的属性，他指出。
原则上，他补充说，确定分子取向的新进展可以适用于蛋白质的生物学特性研究。拉舍克说，”分子取向是确定生物功能的关键，”。分子的取向决定了能量和电荷从细胞膜到分子太阳能能量转换材料的流动。
Bechtel 说红外技术允许对成像分辨率降到 10-20 纳米，可以解决功能比一粒沙子小达 50000 倍。
成像技术的应用在这些实验中，已知”散射式扫描近场光学显微镜，”或 s-SNOM，本质上是使用原子力显微镜尖端作为超灵敏的天线，传输和接收焦点的尖端区域的红外灯。散射光，捕获从提示当它移动的样品，由检测器生成高分辨率的图像记录。
“它是非侵入性的并且它提供了有关分子的振动，信息”当显微镜的尖端移动样品，柏克德说。研究人员利用技术研究硅基 （苝四甲酸二酐） 被称为一种有机半导体材料的结晶特点。
研究人员测量了晶体 （浅灰色和白色） 样品称为硅基半导体材料中的分子取向。条码秤是 500 纳米。彩色圆点对应的颜色栏左侧中晶体取向。在最左边显示不同晶体取向与原子力显微镜的尖端数字。(信用︰-Boulder 伯克利国家实验室)
研究人员报告说他们观察到的取向材料的晶体结构缺陷提供对晶体的生长机理的新认识，有助于在使用这种材料的设计分子器件中。
新的成像能力奠定了新的国家科学基金会中心，宣布在 9 月下旬，链接 Boulder 伯克利国家实验室、 加州大学伯克利分校，佛罗里达国际大学，加州大学欧文分校，与堡刘易斯学院在杜兰戈，科罗拉多州中心将范围广泛的学科，使用电子、 x 光片和光，结合显微成像方法，其中包括一系列。
这个中心，科学和技术中心对实时功能成像技术，称为频闪将率领玛格丽特慕南，Boulder，与拉舍克担任联席牵头杰出教授。
伯克利国家实验室，闪光灯将送达范围的 ALS 功能，包括由柏克德和马丁红外线光束线和 （对于”相干散射和显微镜”） 称为宇宙新光束线。它也将受益于伯克利实验室开发的数据分析工具。