MIKROSKOP ELEKTRON ULTRAFAST MEMBUKA JALAN BARU DALAM PENGEMBANGAN SENSOR DAN PERANGKAT KUANTUM
Mikroskop Elektron Ultrafast - Pengembangan Sensor dan Perangkat Kuantum - Setiap orang yang pernah ke Grand Canyon dapat merasakan perasaan yang kuat karena dekat dengan salah satu tepi alam. Sama halnya dengan para ilmuwan di Laboratorium Nasional Argonne Departemen Energi AS (DOE) yang telah menemukan bahwa nanopartikel emas bertindak tidak biasa ketika dekat dengan tepi lembaran karbon setebal satu atom, yang disebut graphene. Ini bisa memiliki implikasi besar untuk pengembangan sensor baru dan perangkat kuantum. Penemuan ini dapat dilakukan dengan mikroskop elektron ultrafast (UEM) yang baru didirikan di Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), sebuah DOE Office of Science User Facility. UEM memungkinkan visualisasi dan penyelidikan fenomena pada skala nano dan pada kerangka waktu kurang dari sepertriliun detik. Penemuan ini dapat membuat percikan di bidang plasmonik yang sedang berkembang, yang melibatkan cahaya yang sebagai particle menabrak permukaan material dan memicu gelombang elektron, yang dikenal sebagai medan plasmonik. "Dengan kemampuan ultrafast, tidak ada mengetahui apa yang mungkin ditemukan saat mengubah bahan dan propertinya." -- Haihua Liu, ilmuwan nano Argonne.
Selama bertahun-tahun, para ilmuwan telah melakukan pengembangan perangkat plasmonik dengan berbagai aplikasi. Mulai dari pemrosesan informasi kuantum hingga optoelektronik (yang menggabungkan komponen berbasis cahaya dan elektronik) hingga sensor untuk tujuan biologis dan medis. Untuk melakukannya, mereka menggabungkan bahan dua dimensi dengan ketebalan tingkat atom, seperti graphene, dengan partikel logam berukuran nano. Untuk memahami perilaku plasmonik gabungan dari dua jenis bahan yang berbeda ini membutuhkan pemahaman yang tepat bagaimana mereka digabungkan.
Dalam sebuah studi baru-baru ini dari Argonne, para peneliti menggunakan mikroskop elektron ultrafast untuk melihat langsung hubungan antara nanopartikel emas dan graphene. "Plasmon permukaan adalah osilasi elektron yang diinduksi cahaya pada permukaan nanopartikel atau pada permukaan nanopartikel dengan bahan lain," kata ilmuwan nano Argonne Haihua Liu. “Ketika kita menyinari nanopartikel, maka akan tercipta short-lived medan plasmonik. Elektron yang ada di UEM akan berinteraksi dengan medan tersebut ketika keduanya tumpang tindih, dan elektron mendapatkan atau kehilangan energi. Kemudian, kita kumpulkan elektron-elektron yang memperoleh energi menggunakan filter energi untuk memetakan distribusi medan plasmonik di sekitar nanopartikel."
Dalam mempelajari nanopartikel emas, Liu dan rekan-rekannya menemukan fenomena yang tidak biasa. Ketika nanopartikel berada di atas lapisan datar graphene, maka medan plasmoniknya simetris. Namun, ketika nanopartikel diposisikan dekat dengan tepi graphene, makan medan plasmonik terkonsentrasi jauh lebih kuat di dekat wilayah tepi. "Hal ini merupakan cara berpikir baru yang luar biasa tentang bagaimana kita yang dapat memanipulasi muatan dalam bentuk medan plasmonik dan fenomena lain menggunakan cahaya pada skala nano," kata Liu. "Dengan kemampuan ultrafast, tidak ada yang tahu apa yang mungkin kami lihat saat kami mengubah bahan yang berbeda dan propertinya."
Seluruh proses eksperimental ini, dari stimulasi nanopartikel hingga deteksi medan plasmonik, terjadi dalam waktu kurang dari beberapa ratus kuadriliun detik. "CNM unik dalam menampung UEM yang terbuka untuk akses pengguna dan mampu melakukan pengukuran dengan resolusi spasial nanometer dan resolusi waktu sub-picosecond," kata Direktur CNM Ilke Arslan. "Memiliki kemampuan untuk melakukan pengukuran seperti ini dalam kurung waktu yang lebih singkat membuka jendela dalam pemeriksaan beragam fenomena baru di negara-negara non-ekuilibrium yang belum pernah kami selidiki sebelumnya. Kami sangat senang untuk menyediakan kemampuan ini. kepada komunitas peneliti internasional." Pemahaman yang diperoleh sehubungan dengan mekanisme kopling sistem nanopartikel-graphene ini harus menjadi kunci untuk pengembangan perangkat plasmonik baru yang menarik di masa depan.
Sebuah makalah berdasarkan penelitian, "Visualisasi kopling plasmonik menggunakan mikroskop elektron ultrafast," muncul dalam Nano Letters edisi 21 Juni. Selain Liu dan Arslan, penulis tambahan termasuk Thomas Gage dari Argonne, Richard Schaller dan Stephen Gray. Prem Singh dan Amit Jaiswal dari Institut Teknologi India juga berkontribusi, begitu pula Jau Tang dari Universitas Wuhan dan Sang Tae Park dari IDES, Inc. Penelitian ini didanai oleh DOE's Office of Basic Energy Sciences.
Referensi:
Haihua Liu, Thomas E. Gage, Prem Singh, Amit Jaiswal, Richard D. Schaller, Jau Tang, Sang Tae Park, Stephen K. Gray, Ilke Arslan. Visualization of Plasmonic Couplings Using Ultrafast Electron Microscopy. Nano Letters, 2021; 21 (13): 5842 DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c01824