Fortgeschrittene Mikroskopie
Nichtlineare Mikroskopie in Festkörpern
Nichtlineare optische Mikroskopie ist ein leistungsfähiges Werkzeug für Festkörper.
Produktbeschreibung
Was ist nichtlineare Mikroskopie in Festkörpern?
Nichtlineare optische Mikroskopietechniken sind zu leistungsfähigen Werkzeugen für die Untersuchung von Festkörpermaterialien geworden und ermöglichen hochauflösende, markerfreie Bildgebung und Spektroskopie jenseits der Möglichkeiten linearer Methoden. Die Multiphotonen-Photolumineszenzmikroskopie (MPPL) liefert Einblicke in Ladungsträgerdynamik, Defekte und Rekombination über die nichtlineare Anregung von Fluoreszenz. Die Mikroskopie der Erzeugung der zweiten und dritten Harmonischen (SHG, THG) bietet Kontrast auf der Grundlage struktureller Symmetrie und von Grenzflächen. Weitere Techniken wie die Vierwellenmischung (FWM) ermöglichen die Untersuchung ultraschneller elektronischer Wechselwirkungen, während kohärente Anti-Stokes-Raman-Streuung (CARS) und stimulierte Raman-Streuung (SRS) besonders nützlich für die Bildgebung molekularer Schwingungen in organischen und hybriden Materialien sind, in denen die chemische Zusammensetzung eine Schlüsselrolle spielt.
Photolumineszenzmikroskopie
Die Zweiphotonen-Photolumineszenzmikroskopie beruht auf einem nichtlinearen optischen Effekt, bei dem zwei Photonen niedrigerer Energie nahezu gleichzeitig absorbiert werden, um das Material anzuregen. Obwohl sie in der biologischen Bildgebung weit verbreitet ist, weil sie tiefes Gewebe mit minimaler Schädigung sichtbar machen kann, erweitert sich ihre Anwendung auch auf Festkörpermaterialien. In diesem Zusammenhang bietet die Multiphotonen-Mikroskopie ein wertvolles Werkzeug zur Untersuchung geschichteter Strukturen und Heteroübergänge und liefert räumlich aufgelöste Einblicke in vergrabene Grenzflächen, Defektzustände oder sogar die Ladungsträgerdynamik.
Mikroskopie der Harmonischen
SHG- und THG-Mikroskopie sind nichtlineare optische Phänomene, die eine hochauflösende, markerfreie Bildgebung von Kristallsymmetrie, Grenzflächen und ultraschneller Dynamik in Festkörpermaterialien ermöglichen. Bei der SHG wechselwirkt kohärentes Licht der Frequenz ω mit einem nichtzentrosymmetrischen Material, was zur Emission von Licht mit der doppelten ursprünglichen Frequenz (2ω) führt. Die SHG-Mikroskopie bietet aufgrund ihres kohärenten Charakters, der vom Quadrat der Intensität des elektrischen Feldes abhängt, eine hohe axiale und laterale Auflösung und tritt ausschließlich in Materialien mit gebrochener Inversionssymmetrie auf. Bei der THG erzeugt Licht der Frequenz ω ein kohärentes Signal bei 3ω, typischerweise an Grenzflächen oder in Bereichen mit Brechungsindexvariationen. Im Gegensatz zur SHG kann THG sowohl in zentrosymmetrischen als auch in nichtzentrosymmetrischen Materialien erzeugt werden und ist daher vielseitiger für ein breiteres Spektrum von 2D-Materialien. SHG- und THG-Mikroskopie werden zunehmend auf Perowskite, van-der-Waals-Materialien und Heterostrukturen angewandt, um vergrabene Grenzflächen, ferroelektrische Domänen, dehnungsinduzierte Phasen, exzitonische Resonanzen und die Spin-Polarisationsdynamik zu untersuchen.
Berichtete SHG- und THG-Beispiele
Die SHG-Mikroskopie wurde eingesetzt, um elektrisch induzierte ferroelektrische Domänen und chirale Zustände sichtbar zu machen, die in 2D-Ruddlesden–Popper-Bleihalogenid-Perowskiten schaltbaren SHG-Zirkulardichroismus zeigten, was ein feldabstimmbares Symmetriebrechen in einem achiralen ferroelektrischen Material offenbarte. Polarisationsaufgelöste SHG-Bildgebung wurde als rein optische Technik vorgestellt, um Dehnung in einer über zylindrischen Vertiefungen platzierten Monolage WS₂ zu kartieren, mit Empfindlichkeit gegenüber mechanischer Verformung in 2D-Materialien. Die THG-Mikroskopie wurde eingesetzt, um die In-plane-Anisotropie ultradünner Zinn(II)-sulfid-Flocken (SnS) zu untersuchen, wobei orientierungsabhängige nichtlineare optische Antworten sichtbar wurden; polarisationsaufgelöste THG kartierte die Kristallsymmetrie und unterstrich das Potenzial für optoelektronische Anwendungen.
Vierwellenmischungsmikroskopie
Die FWM-Mikroskopie ist zu einer leistungsfähigen ultraschnellen Bildgebungstechnik für die Untersuchung von Exzitonen und anderen Quasiteilchen in Festkörpermaterialien geworden. Durch das Richten mehrerer Femtosekunden-Laserpulse auf eine Probe und die Detektion des resultierenden kohärenten Signals erfasst die FWM-Mikroskopie schnelle Prozesse mit hoher räumlicher Auflösung. Sie ist besonders wirksam bei der Untersuchung von 2D-Halbleitern, Heterostrukturen und Hybrid-Perowskiten, bei denen kleine lokale Unterschiede, etwa ungleichmäßige mechanische Spannung, Defekte oder schwache Bindung zwischen den Schichten, die Wechselwirkung des Materials mit Licht erheblich beeinflussen können.
Raman-Mikroskopie
Kohärente Raman-Mikroskopietechniken wie CARS und SRS ermöglichen chemisch spezifische, markerfreie Bildgebung von Festkörpermaterialien mit Submikrometer-Auflösung. Durch die Nutzung nichtlinearer optischer Wechselwirkungen machen sie räumliche Verteilungen von Schwingungsmoden sichtbar und sind damit wertvolle Werkzeuge zur Untersuchung von Phasenreinheit, molekularer Orientierung und ultraschneller Gitterdynamik in kristallinen Systemen. CARS- und SRS-Mikroskopie wurden auf organische Kristalle, Hybrid-Perowskite und Festkörper-Pharmazeutika angewandt, um Polymorphe, Domänenstrukturen und Schwingungsheterogenität sichtbar zu machen.
