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美國伯克利實驗室和科羅拉多大學(xué)波爾得分校共同組建的科研小組開發(fā)出了揭示功能材料晶體特性的新方法。
從太陽能電池到有機(jī)發(fā)光二極管（LEDs）和晶體管，以及醫(yī)學(xué)上重要的蛋白質(zhì)，人類對材料的分子構(gòu)成的詳細(xì)描述并不總是那么清晰明白。
為了了解材料在微觀尺度上如何運作，更好的設(shè)計材料以改善它們的功能，我們不僅要知道它們的組成，而且需要知道它們的分子排列和微觀缺陷。
如今，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室工作的研究人員向人們展示了一種以電子能力聞名的有機(jī)半導(dǎo)體的紅外成像，揭示了諸多關(guān)鍵的關(guān)于其晶體形狀和取向以及影響其性能缺陷的納米級細(xì)節(jié)。
為了實現(xiàn)這一成像突破，伯克利先進(jìn)光源實驗室（ALS）和科羅拉多大學(xué)博爾德分校(CU-Boulder)的研究人員將ALS的紅外光源和激光紅外線與原子力顯微鏡相結(jié)合。ALS是一種同步回旋加速器，通過在彎曲處將電子加速到接近光速，來產(chǎn)生從紅外線到X射線的一定波長或顏色的光。
研究人員將兩個紅外光源聚焦在原子力顯微鏡的尖端。原子力顯微鏡的工作方式有點像電唱機(jī)的針頭——它移動穿過材料的表面，并在其升降時測量表面的顯微特征。
最近一期Science Advances中詳細(xì)介紹了這項技術(shù)。該技術(shù)允許研究人員針對具有特定化學(xué)鍵及排列的樣品調(diào)整紅外光，顯示詳細(xì)的晶體特征，并探索樣品中的納米級化學(xué)環(huán)境。
ALS科學(xué)家Hans Bechtel說道，“我們的技術(shù)是廣泛適用的。你可以將其用于多種類型的材料——唯一的限制是要求材料必須相對平坦?！敝挥羞@樣，原子力顯微鏡的尖端才能在其高峰和低谷之間移動。
博爾德分校的一位教授Markus Raschke，和他團(tuán)隊里的博士后Eric Muller共同開發(fā)了這項成像技術(shù)。Markus Raschke說：“如果你知道這些有機(jī)材料的分子組成和取向，那么你就可以用更加直接的方法對其性能進(jìn)行優(yōu)化?！?/p>
“這項工作可以為材料設(shè)計提供有效信息。這項技術(shù)的靈敏度可以從數(shù)百萬計的分子到幾百個分子，成像分辨率可從微米級（百萬之一英寸）到納米級（十億分之一英寸）?！盧aschke繼續(xù)介紹道。
同步回旋加速器產(chǎn)生的紅外線提供了必不可少的寬頻帶紅外光譜，使它能靈敏檢測許多不同種類化學(xué)物質(zhì)，還能提供樣品的分子取向信息。而傳統(tǒng)的紅外光激光功率高、光譜范圍窄，使研究人員可以放大特定的鍵以獲得成像細(xì)節(jié)。
Raschke說：“ALS同步回旋加速器或者傳統(tǒng)激光器產(chǎn)生的紅外光單獨作用都不可能達(dá)到這種層次的微觀探測能力，而兩者的組合給我們提供了一個‘1+1>2’的強(qiáng)大探測器?！?/p>
十年前，Raschke在柏林使用BESSY同步加速器首次探索了基于同步加速器的紅外納米光譜。在他和ALS科學(xué)家Michael Martin 和Bechtel的共同努力下，ALS在2014年成為第一個對來訪科學(xué)家展示納米紅外成像的同步加速器。
該技術(shù)對于研究和理解具有特殊光子、電子或能量轉(zhuǎn)換、能量存儲特性的“功能材料”特別有用。
“原則上，確定分子取向的新進(jìn)展可以用于蛋白質(zhì)的生物學(xué)特性研究。分子取向是確定生物功能的關(guān)鍵?！?Raschke補(bǔ)充道。分子取向決定了能量和電荷如何從細(xì)胞膜流向分子太陽能轉(zhuǎn)換材料。
Bechtel說，“紅外技術(shù)允許的成像分辨率為10~20nm，能探測比一粒沙子小50,000倍的物質(zhì)?！?/p>
成像技術(shù)在這些實驗中的應(yīng)用，比如“散射式掃描近場光學(xué)顯微鏡”（s-SNOW），本質(zhì)上是使用原子力顯微鏡尖端作為超靈敏天線接收和傳輸聚焦的紅外光。當(dāng)探測器在樣品上移動時，探測器記錄下尖端捕獲的散射光以產(chǎn)生高分辨率圖像。
當(dāng)顯微鏡尖端移動到樣品尖端時，Bechte說道，“它是非侵入性的，并且它能提供關(guān)于分子振動的信息。”研究人員使用該技術(shù)研究被稱為PTCDA（苝四甲酸二酐）的一種有機(jī)半導(dǎo)體材料。該研究成果的其他貢獻(xiàn)者包括Raschke 團(tuán)隊里的兩位成員Benjamin Pollard和Peter van Blerkom。
研究人員報告說，他們觀察到的材料的晶體結(jié)構(gòu)取向為晶體的生長機(jī)制提供了新的認(rèn)識，這有助于使用該材料進(jìn)行分子器件設(shè)計。
新的成像能力為9月下旬宣布成立的新的國家科學(xué)基金會中心奠定了基礎(chǔ)。該中心聯(lián)合了科羅拉多大學(xué)波爾德分校，伯克利實驗室，加州大學(xué)伯克利分校、佛羅里達(dá)國際大學(xué)，加州大學(xué)歐文分校和杜蘭戈路易斯學(xué)院。該中心將結(jié)合一系列跨學(xué)科的顯微成像方法，包括使用電子、X射線和可見光的，開發(fā)新的成像方式。
STROBE中心（實時功能成像科學(xué)與技術(shù)中心Science and Technology Center on Real-Time Functional Imaging）將由博爾德分校杰出教授Margaret Murnane領(lǐng)導(dǎo)，Raschke擔(dān)任聯(lián)合領(lǐng)導(dǎo)。
在伯克利實驗室，STROBE將提供一系列的ALS功能，包括由Bechtel 和Martin管理的紅外光束和一種新光束線COSMIC（coherent scattering and microscopy相干散射和顯微鏡）。它也將受益于伯克利實驗室開發(fā)的數(shù)據(jù)分析工具。在伯克利實驗室領(lǐng)導(dǎo)國家電子顯微鏡中心的ALS主任Roger Falcone和Andrew Minor也是STROBE的參與者。
這項工作由國家自然科學(xué)基金資助。該ALS是美國能源部科學(xué)辦公室的用戶設(shè)施。
