ENGINEERINGNET -- Normaal gesproken wordt de resolutie van een lichtmicroscoop beperkt door de diffractiewet van Abbe, maar de onderzoekers wisten deze limiet te breken met behulp van een nieuwe techniek 'hoekafhankelijke kathodeluminescentie spectroscopie', die bij AMOLF is ontwikkeld en verfijnd.
Ze gebruikten deze techniek om de opsluiting van licht in een fotonisch kristal te bestuderen. Hierbij haalden ze een ongeëvenaarde resolutie, meer dan tien keer zo klein als de diffractielimiet van licht.
Fotonische kristallen zijn nanostructuren waarin twee materialen met een verschillende brekingsindex in een regelmatig patroon zijn gerangschikt, waardoor exotische optische eigenschappen ontstaan. In de natuur zijn fotonische kristallen te vinden in sommige vlindersoorten, vogels en kevers, maar ook in het edelsteen opaal, waar ze prachtige iriserende kleuren geven.
De vooruitgang in nanofabricatietechnieken is zo ver gevorderd dat het inmiddels mogelijk is om kunstmatige fotonische kristallen te maken met optische eigenschappen die nauwkeurig afgesteld kunnen worden.
Met deze materialen is het mogelijk om lichtgeleiders en trilholtes op nanoschaal van hoge kwaliteit te maken, die interessant zijn voor toepassing in bijvoorbeeld telecommunicatie of biosensoren.
De onderzoekers construeerden een tweedimensionaal fotonisch kristal door een hexagonaal patroon van gaatjes in een zeer dun siliciumnitridemembraan te etsen. Het fotonische kristal remt de voortplanting van bepaalde kleuren licht, wat leidt tot sterke reflectie van die kleuren. Door een gat weg te laten kan wordt een kleine trilholte gedefinieerd waarbij het omliggende kristal als een spiegel fungeert voor licht. Daardoor wordt het mogelijk om licht op te sluiten in een extreem klein volume.
Deze trilholtes zijn zo klein dat het onmogelijk is om alle relevante kenmerken waar te nemen met een conventionele optische microscoop. De onderzoekers hebben daarom een vijf nanometer brede straal van een elektronenmicroscoop gebruikt om het fotonische kristal te bestuderen. De elektronenstraal genereert licht in de trilholte.
Een deel van dit licht ontsnapt en wordt opgevangen door een lichtcollectiesysteem dat bestaat uit een parabolische spiegel en een piëzo-elektrisch positioneringssysteem dat binnenin de elektronenmicroscoop is gemonteerd. Vervolgens kunnen de kleur van het licht en de hoek waaronder het wordt uitgezonden nauwkeurig bepaald worden met behulp van CCD-camera's.
Het uitgezonden licht draagt de 'optische handtekening' van de trilholte en werd door de onderzoekers gebruikt om de eigenschappen daarvan te bestuderen in ongeëvenaard detail, waarbij kenmerken van slechts 30 nm werden waargenomen.
In de toekomst zal deze meettechniek gebruikt kunnen worden om optische eigenschappen op nanoschaal te onderzoeken in de communicatietechnologie, ledverlichting, zonnecellen en in verschillende andere onderzoeksgebieden zoals de materiaalwetenschappen, biologie en de medische wetenschappen.
Prof.dr. Albert Polman, de onderzoeksleider van het project: "We hebben de afgelopen jaren met een aantal technici en onderzoekers hard gewerkt aan de ontwikkeling en verfijning van dit nieuwe instrument.
Dankzij de unieke expertise in de technische ondersteuning op AMOLF is het gelukt dit voor elkaar te krijgen. In de Nature Materials paper hebben we nu voor het eerst goed de resolutie van het nieuwe instrument gemeten: 30 nanometer is al een heel mooi resultaat, maar ik denk dat 10 nanometer in de toekomst ook haalbaar is."
Het 'hoekafhankelijke kathodeluminescentie spectroscopie' instrument zal worden gecommercialiseerd door het start-up bedrijf Delmic, en zal in het najaar van 2012 op de markt gebracht worden. Deze ontwikkeling is mogelijk gemaakt door een Valorisation Grant van Technologiestichting STW en Stichting FOM.
Het onderzoek werd uitgevoerd door Riccardo Sapienza, Toon Coenen, Jan Renger, Martin Kuttge, Niek van Hulst en Albert Polman en is mogelijk gemaakt door financiering van Stichting FOM, NanoNextNL en de European Research Council.
(bron: Engineers Online) (foto's en illustraties: FOM-instituut AMOLF)
Illustratie 1:
a) Werking instrument. Een elektronenstraal exciteert lokaal het fotonisch kristal en het uitgezonden licht wordt gecollecteerd.
b) Om het licht efficiënt op te kunnen vangen wordt een parabolische spiegel (rechts) nauwkeurig uitgelijnd met behulp van een piëzo-elektrisch positioneringssysteem dat op AMOLF is ontworpen en gebouwd.
Illustratie 2:
Licht opgesloten in nanotrilholtes: opname door de nieuwe microscoop. Lichtgolven bewegen in de trilholte heen en weer maar kunnen (bijna) niet ontsnappen. De afstand tussen de gaten is 330 nanometer en de resolutie in de meting is 30 nanometer.
