Nowe zastosowanie standardowej techniki w optyce nanoskalowej
Katodoluminescencja to zjawisko fizyczne zaobserwowane po raz pierwszy w latach 60. ubiegłego wieku, polegające na emitowaniu światła przez materiał po uderzeniu w niego wiązką elektronów. Katodoluminescencja była dawniej wykorzystywana w telewizorach kineskopowych do generowania obrazów, a przez geologów do charakteryzowania minerałów.
Nowy mikroskop elektronowy oparty na katodoluminescencji
Naukowcy biorący udział finansowanym przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERBN) projekcie SCEON połączyli właściwości spektroskopii katodoluminescencyjnej i obrazowania w mikroskopii elektronowej w jednym nowym systemie katodoluminescencyjnym. W spektroskopii katodoluminescencyjnej światło emitowane przez struktury podczas ich oddziaływania z elektronami jest zbierane i analizowane, co pozwala na otrzymanie przydatnych informacji optycznych. „Naszym celem było połączenie zalet mikroskopu elektronowego i obrazowania optycznego w nowym systemie, unikalnym w skali światowej”, wyjaśnia zdobywca grantu ERBN i kierownik naukowy projektu Albert Polman. Katodoluminescencja dostarcza informacji na temat oddziaływania światła i materii, a ponieważ wykorzystuje elektrony, zapewnia rozdzielczość w skali nanometrycznej. System katodoluminescencyjny SCEON działa poprzez zbieranie fotonów emitowanych z próbki bombardowanej elektronami przez zwierciadło paraboliczne. Zwiększa to efektywność zbierania światła przez nanostruktury, a także umożliwia wykonywanie pomiarów na próbkach o niskiej emisji światła, takich jak metale. Jednocześnie technologia SCEON może znaleźć wiele praktycznych zastosowań w geologii, metrologii półprzewodnikowej i produkcji materiałów fotowoltaicznych, poprawiając sprawność urządzeń emitujących światło i ogniw słonecznych. Manipulacja pojedynczymi źródłami fotonów za pomocą systemu katodoluminescencyjnego pozwoli na dalszy rozwój technologii informacji kwantowych. Ponadto system katodoluminescencyjny SCEON umożliwia badanie zachowania się emitowanego światła w czasie w nanoskali. Daje to naukowcom możliwość badania podstawowych zjawisk fizyki w tej małej skali i odpowiedzi na podstawowe pytania związane z oddziaływaniem elektronów z nanostrukturami. Dzięki zapewnieniu rozdzielczości czasowej, zastosowanie impulsów elektronowych sprawia, że system katodoluminescencyjny SCEON pozwala na nowe spojrzenie na dynamikę wzbudzenia elektronów i światła. Mikroskop katodoluminescencyjny SCEON pozwolił już na uzyskanie wielu ciekawych wyników badawczych, w tym dotyczących emisji światła w różnych nanostrukturach. Naukowcom udało się również określić efektywność emisji przy bardzo wysokiej rozdzielczości przestrzennej półprzewodników stosowanych w ogniwach słonecznych oraz zbadać oddziaływania ultraszybkich impulsów laserowych i elektronowych za pośrednictwem nanostruktur metalicznych.
Przyszłe zastosowania mikroskopu katodoluminescencyjnego
Mikroskopy katodoluminescencyjne zostały opracowane we współpracy z firmami AMOLF, Thermo Fisher i Delmic, dzięki czemu pierwsza komercyjna wersja instrumentu trafiła na rynek w 2014 roku. Mikroskop katodoluminescencyjny został również wyróżniony nagrodą „Innovation and Materials Characterization Award” przez organizację Materials Research Society. Otrzymaliśmy grant ERBN przeznaczony na weryfikację koncepcji projektu SCEON, dotyczącej opracowania komercyjnej, stołowej wersji naszego nowego mikroskopu, który może być potencjalnie używany przez szerokie grono użytkowników”, podkreśla Polman. Od czasu pierwszej charakterystyki zjawiska fizycznego katodoluminescencji, badacze opracowali zaawansowaną spektroskopię obrazowania katodoluminescencyjnego do bardziej naukowych celów. „Nasz system oferuje możliwość badania praktycznie dowolnego metalu, półprzewodnika, materiału dielektrycznego lub nanostruktury oraz pozwala zaobserwować bardzo dokładnie w przestrzeni, jak światło rezonuje w tych materiałach, kierunek jego emisji i czas trwania tych oddziaływań”, kontynuuje Polman. Zrozumienie, jak elektrony o dużej prędkości współdziałają z nanostrukturami, pomoże w zaprojektowaniu i wdrożeniu tańszych i bardziej efektywnych urządzeń fotowoltaicznych, miniaturowych obwodów optoelektronicznych i diod emitujących światło.
Słowa kluczowe
SCEON, katodoluminescencja, mikroskop elektronowy, spektroskopia, nanostruktura, ogniwo słoneczne, fotowoltaika