武汉光电国家研究中心实现50纳米免标记超分辨光学瞬态吸收成像

10月9日,华中科技大学武汉光电国家研究中心王平教授、光学与电子信息学院叶镭教授、美国内布拉斯加大学林肯分校包玮教授最新合作研究成果在Optica(IF: 9.778)在线发表。论文链接为: https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-7-10-1402

该项研究工作提出了一种远场免标记超分辨瞬态吸收显微成像技术(STAN),实现了石墨烯等二维材料的远场高分辨率成像,并将成像分辨率推进到50纳米以下,为新兴材料的超分辨瞬态吸收成像和表征提供了重要的工具。

纳米成像或表征是先进材料发展的主要方向之一。尽管在电子显微镜和原子力显微镜已经取得了很大的进展,但是对样本准备和成像条件等要求较高。虽然直接的远场光学显微镜操作方便,且有着优越的时间和光谱分辨率,但固有的光学分辨率极限限制了它的使用。因此,目前用于表征纳米材料的工具仍然严重依赖于SEM、TEM和AFM。

研究人员提出的基于饱和吸收效应的超分辨瞬态吸收显微成像技术(简称STAN),实现了与近场光学显微镜相媲美超高空间分辨率。通过引入短波长的涡旋光作为饱和光,有效地抑制了焦点外围近红外(NIR)光子驱动的瞬态吸收跃迁,缩小了有效焦斑体积,使基于近红外激光的瞬态吸收显微镜突破了亚衍射极限的分辨率。研究人员利用该系统实对石墨烯的单个纳米颗粒进行成像,发现图像分辨率随着饱和光功率的升高而升高,并最终实现了横向分辨率为36 nm,且图像信噪比>2.5的超分辨成像。此外,STAN系统对单层石墨烯中纳米褶皱的超分辨成像结果与原子力显微镜的表征结果非常一致。该无创的远场光学成像技术非常适合于二维材料的快速形态和电学表征,对样品制备和成像环境的要求显著降低。

图1. STAN瞬态吸收光学显微成像。a,探测原理图;b,能级图;c,装置图
图2. 石墨烯纳米球(a-e)与单层石墨烯(f-h)的超分辨成像

Optica是光学领域重要期刊。博士生毕亚丽、杨驰、童磊为本文的同等贡献第一作者,武汉光电国家研究中心王平教授、光学与电子信息学院叶镭教授以及内布拉斯加大学林肯分校包玮教授担任通讯作者,武汉光电国家研究中心汪毅教授为合作者;华中科技大学武汉光电国家研究中心为第一单位。

图3. 华中科技大学 王平教授 分子成像课题组

该研究工作得到了国家重点研发计划(2016YFA0201403),基金委面上项目(61675075, 61704061, 61974050),群体项目(61421064),武汉光电国家研究中心主任基金,内布拉斯加州大学林肯学院创业基金的大力支持。

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