La technologie d’imagerie « baguette magique » révèle un nano-pays des merveilles

Les scientifiques des matériaux ont développé des matériaux pour l’électronique de nouvelle génération si minuscules qu’ils sont indiscernables lorsqu’ils sont étroitement emballés. Ils sont si petits que, même sous les microscopes optiques les plus puissants, ils ne réfléchissent pas assez de lumière (la lumière visible varie en longueur d’onde de 400 à 700 nm) pour montrer des détails fins tels que les couleurs. Par exemple, les nanotubes de carbone apparaissent simplement gris au microscope optique.

L’incapacité à distinguer les petits détails et les différences entre les différents morceaux de nanomatériaux rend difficile pour les scientifiques d’étudier leurs propriétés uniques et de découvrir des moyens de les perfectionner pour des applications pratiques.

L’avancée permise par cette nouvelle technique améliore la résolution de l’imagerie couleur à un niveau sans précédent de 6 nm, aidant les scientifiques à visualiser les nanomatériaux avec suffisamment de détails pour les utiliser davantage dans l’électronique et d’autres applications.

Le professeur Ming Liu et le professeur Ruoxue Yan, tous deux du Riverside’s College of Engineering, ont développé l’outil avec une technique de superfocalisation précédemment utilisée pour observer la vibration des liaisons moléculaires à une résolution spatiale de 1 nm, sans avoir besoin d’une lentille de focalisation. Dans cette étude, ils ont modifié l’outil pour mesurer des signaux couvrant toute la gamme de longueurs d’onde visibles ; cela lui permet d’être utilisé pour rendre la couleur et représenter les structures de bandes électroniques de l’objet observé, au lieu de simplement les vibrations des molécules.

L’outil compresse la lumière d’une lampe au tungstène dans un nanofil d’argent avec une diffusion ou une réflexion proche de zéro, où la lumière est transportée par l’onde d’oscillation des électrons libres à la surface de l’argent. La lumière condensée quitte la pointe du nanofil d’argent – qui a un rayon de seulement 5 nm – dans un chemin conique, comme le faisceau lumineux d’une torche qui s’élargit. Lorsque la pointe passe sur un objet, son influence sur la forme et la couleur du faisceau est détectée et enregistrée.

« C’est comme utiliser votre pouce pour contrôler le jet d’eau d’un tuyau », a expliqué Liu, « Vous savez comment obtenir le motif de pulvérisation souhaité en changeant la position du pouce et de même, dans l’expérience, nous lisons le motif lumineux pour récupérer le détails de l’objet bloquant la buse lumineuse de 5 nm.

La lumière est ensuite focalisée dans un spectromètre, où elle forme un très petit anneau. En balayant la sonde sur une zone et en enregistrant deux spectres par pixel, les chercheurs peuvent formuler les images d’absorption et de diffusion en couleur. Cela signifie que les nanotubes de carbone autrefois gris peuvent être photographiés en couleur.

« Le nanofil d’argent à pointe fine atomiquement lisse et son couplage optique et sa focalisation presque sans dispersion sont essentiels pour l’imagerie », a déclaré Yan. « Sinon, il y aurait une lumière parasite intense en arrière-plan qui gâcherait tout l’effort. « 

Les chercheurs s’attendent à ce que la nouvelle technologie puisse être un outil important pour aider l’industrie des semi-conducteurs à fabriquer des nanomatériaux uniformes avec des propriétés cohérentes pour une utilisation dans les appareils électroniques. La nouvelle technique de nanoimagerie en couleur pourrait également être utilisée pour améliorer la compréhension scientifique de la catalyse, de l’optique quantique et de la nanoélectronique. L’étude a été décrite dans un Communication Nature papier.