Die Raman-Spektroskopie, eine optische Mikroskopietechnik, ist eine zerstörungsfreie chemische Analysetechnik, die umfassende molekulare Fingerabdruckinformationen über chemische Struktur, Phase, Kristallinität und molekulare Wechselwirkungen liefert. Die Technik beruht auf der Wechselwirkung von Licht mit chemischen Bindungen innerhalb eines Materials. Da Licht jedoch eine Welle ist, sind optische Mikroskope nicht in der Lage, Entfernungen aufzulösen, die kleiner als die Hälfte der Wellenlänge des auf die Probe einfallenden Lichts sind. Dies ist als „Beugungsgrenze“ bekannt, die verhindert, dass die Raman-Spektroskopie und andere optische Mikroskopietechniken Auflösungen im Nanobereich erreichen.
Um die räumliche Auflösung zu verbessern, wurde eine andere Technik namens „tip-enhanced Raman spectroscopy“ (TERS) erfunden, die räumliche Auflösungen unterhalb der Beugungsgrenze erreichen kann. Bei TERS begrenzt eine metallische Spitze in Nanogröße das Licht auf ein Volumen in Nanogröße direkt über der Probe. Das Licht interagiert mit den Probenmolekülen auf der Oberfläche und die Abbildung erfolgt durch Analyse des gestreuten Lichts.
TERS wurde erfolgreich verwendet, um chemische Zusammensetzungen und Oberflächendefekte in Proben mit Auflösungen im Nanobereich zu analysieren. Während der Bildgebung neigt die Nanospitze jedoch dazu, aufgrund von unvermeidbaren Temperatur- und Vibrationsschwankungen unter Umgebungsbedingungen zu driften, was entweder zu einer Defokussierung der Probe oder zu einer Fehlausrichtung zwischen der Nanospitze und dem Brennfleck oder zu beidem führt. Dies verursacht erhebliche Verzerrungen in den gestreuten Signalen. Um dies zu vermeiden, muss die TERS-Bildgebung innerhalb eines Zeitfensters von 30 Minuten abgeschlossen werden, eine Einschränkung, die die Bildgebung von Proben größer als 1 µm2 mit nanoskaliger Auflösung verhindert.
In einer neuen Studie veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte, ein Forschungsteam aus Japan unter der Leitung von Dr. Ryo Kato, einem designierten Assistenzprofessor am Institut für Post-LED-Photonik der Tokushima-Universität, und den außerordentlichen Professoren Takayuki Umakoshi und Professor Prabhat Verma von der Universität Osaka, hat nun erstmals entwickelt Zeit, ein stabiles TERS-System, das nicht auf ein kurzes Bildgebungszeitfenster beschränkt ist. Das Team demonstrierte seine Leistungsfähigkeit durch die erfolgreiche Abbildung von nanoskaligen Defekten über einen Zeitraum von 6 Stunden in einem mikrometergroßen, zweidimensionalen (2D) Wolframdisulfid (WS2)-Film – einem Material, das üblicherweise in optoelektronischen Geräten verwendet wird. „Unser neues optisches Nano-Imaging-System ermöglicht die Charakterisierung der Defektanalyse in großformatigen WS2-Schichten bei einer hohen Pixelauflösung von bis zu 10 nm ohne signifikanten Verlust des optischen Signals“, sagt Dr. Kato.
Um die Drifts über längere Zeiträume zu kompensieren, entwickelte das Team ein Feedback-System, das die Verschiebung der fokussierten Lichtquelle verfolgt und die Position der Fokusebene entsprechend neu einstellt. Die Fokusposition der Lichtquelle wird verfolgt, indem die Verschiebung eines reflektierten Laserführungsstrahls gemessen wird, der in das Mikroskop gerichtet ist. Der Fokus wird dann mit einem piezogesteuerten Objektivscanner stabilisiert, wenn das System eine Drift oder eine Änderung der Fokusposition der Lichtquelle erfasst.
Um die Nanospitze zu stabilisieren, entwarf das Team ein durch Laserabtastung unterstütztes Kompensationssystem für Spitzendrift. In diesem Fall nehmen Galvano-Scanner Bilder des Laserpunkts um die metallische Nanospitze herum auf, sobald sie sich der Probenoberfläche nähert. Dieses Bild erscheint als heller Fleck und zeigt die Position der Nanospitze an. Nachdem die Messung an einem bestimmten Pixel durchgeführt wurde, wird das Bild des Laserspots um die Nanospitze herum erneut aufgenommen. Der Laserspot wird dann verschoben, um der neuen Position der Nanospitze in diesem Bild zu entsprechen. Der Prozess wird während des gesamten Bildgebungsprozesses fortgesetzt, wodurch sichergestellt wird, dass die Nanospitze an einer konstanten Position bleibt.
Durch die Implementierung dieser Korrekturen konnte das Team ein 2D-Blatt von WS2 (siehe Bild oben) mit einer Scanfläche von 1 × 4 µm2 abbilden. Mit einem 12-mal längeren Bildgebungszeitfenster als bei der konventionellen Bildgebung konnten sie einzigartige Defekte erkennen, die bei der konventionellen TER-Bildgebung übersehen wurden. Sie zeigten auch, dass die Defektdichte bei einer größeren WS2-Probe (vergleichbar mit Gerätemaßstäben) höher war als bei kleineren Proben.
Die Studie könnte Türen zu einer präzisen, hochauflösenden Bildgebung nicht nur von optoelektronischen Geräten, sondern auch von biologischen Proben öffnen. „Unsere neue driftkompensierte TERS-Mikroskopie könnte nicht nur die Oberflächeneigenschaften von Gerätematerialien besser bewerten, sondern es uns auch ermöglichen, biologische Prozesse wie den Mechanismus zu untersuchen, der der Entstehung von Krankheiten zugrunde liegt. Dies könnte wiederum dazu beitragen, neuartige klinische Methoden und Therapien zu entwickeln.“ “, sagt Dr. Umakoshi.
Ryo Kato et al, Ultrastabile spitzenverstärkte hyperspektrale optische Nanobildgebung zur Defektanalyse von großformatigen WS2-Schichten, Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abo4021. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo4021
Bereitgestellt von der Tokushima-Universität