Передовые методы микроскопии

Нелинейная микроскопия твёрдотельных материалов

Методы нелинейной оптической микроскопии стали мощными инструментами исследования твёрдотельных материалов.

Описание

Что такое нелинейная микроскопия твёрдотельных материалов?

Методы нелинейной оптической микроскопии стали мощными инструментами исследования твёрдотельных материалов. Они обеспечивают безметочную визуализацию и спектроскопию с высоким разрешением, превосходящие возможности линейных методов. Микроскопия многофотонной фотолюминесценции (MPPL) позволяет исследовать динамику носителей заряда, дефекты и рекомбинацию посредством нелинейного возбуждения флуоресценции. Микроскопия генерации второй и третьей гармоник (SHG, THG) формирует контраст, связанный со структурной симметрией и межфазными границами. Другие методы, например четырёхволновое смешение (FWM), позволяют изучать сверхбыстрые электронные взаимодействия, а когерентное антистоксово рамановское рассеяние (CARS) и стимулированное рамановское рассеяние (SRS) особенно полезны для визуализации молекулярных колебаний в органических и гибридных материалах, где химический состав играет ключевую роль.

Фотолюминесцентная микроскопия

Двухфотонная фотолюминесцентная микроскопия основана на нелинейном оптическом эффекте, при котором два фотона с меньшей энергией поглощаются почти одновременно и возбуждают материал. Благодаря способности визуализировать глубокие слои тканей с минимальным повреждением метод широко применяется в биологических исследованиях, а теперь расширяется и его применение для твёрдотельных материалов. В этой области многофотонная микроскопия служит ценным инструментом исследования слоистых структур и гетеропереходов, позволяя с пространственным разрешением изучать скрытые межфазные границы, дефектные состояния и даже динамику носителей заряда.

Микроскопия генерации гармоник

Микроскопия SHG и THG основана на нелинейных оптических явлениях и обеспечивает безметочную визуализацию с высоким разрешением кристаллической симметрии, межфазных границ и сверхбыстрой динамики в твёрдотельных материалах. В процессе SHG когерентное излучение с частотой ω взаимодействует с нецентросимметричным материалом, в результате чего испускается излучение с удвоенной исходной частотой (2ω). Благодаря когерентной природе, зависящей от квадрата напряжённости электрического поля, микроскопия SHG обеспечивает высокое аксиальное и латеральное разрешение и возможна только в материалах с нарушенной инверсионной симметрией. В процессе THG излучение с частотой ω создаёт когерентный сигнал на частоте 3ω, обычно на межфазных границах или в областях с изменением показателя преломления. В отличие от SHG, процесс THG возможен как в центросимметричных, так и в нецентросимметричных материалах, поэтому он подходит для более широкого круга 2D-материалов. Микроскопия SHG и THG всё чаще применяется к перовскитам, ван-дер-ваальсовым материалам и гетероструктурам для исследования скрытых межфазных границ, сегнетоэлектрических доменов, фаз, индуцированных деформацией, экситонных резонансов и динамики спиновой поляризации.

Опубликованные примеры SHG и THG

Микроскопия SHG применялась для визуализации электрически индуцированных сегнетоэлектрических доменов и хиральных состояний с переключаемым круговым дихроизмом SHG в 2D-галогенидных перовскитах свинца типа Ruddlesden–Popper. Это позволило выявить управляемое полем нарушение симметрии в ахиральном сегнетоэлектрическом материале. Визуализация SHG с поляризационным разрешением была представлена как полностью оптический метод картирования механической деформации в монослое WS₂, размещённом над цилиндрическими углублениями, с чувствительностью к деформации 2D-материалов. Микроскопия THG применялась для исследования внутриплоскостной анизотропии ультратонких пластинок сульфида олова(II) (SnS), выявляя нелинейные оптические отклики, зависящие от ориентации; измерения THG с поляризационным разрешением позволили картировать кристаллическую симметрию и показали потенциал метода для оптоэлектронных применений.

Микроскопия четырёхволнового смешения

Микроскопия FWM стала мощным методом сверхбыстрой визуализации для исследования экситонов и других квазичастиц в твёрдотельных материалах. Несколько фемтосекундных лазерных импульсов направляют на образец и регистрируют возникающий когерентный сигнал, благодаря чему микроскопия FWM фиксирует быстрые процессы с высоким пространственным разрешением. Метод особенно эффективен для исследования 2D-полупроводников, гетероструктур и гибридных перовскитов, в которых небольшие локальные различия — например, неоднородное механическое напряжение, дефекты или слабые связи между слоями — могут существенно влиять на взаимодействие материала со светом.

Рамановская микроскопия

Методы когерентной рамановской микроскопии, такие как CARS и SRS, обеспечивают химически селективную безметочную визуализацию твёрдотельных материалов с субмикронным разрешением. Используя нелинейные оптические взаимодействия, они выявляют пространственное распределение колебательных мод и поэтому ценны для исследования фазовой чистоты, ориентации молекул и сверхбыстрой динамики решётки в кристаллических системах. Микроскопия CARS и SRS применялась к органическим кристаллам, гибридным перовскитам и твёрдым лекарственным формам для визуализации полиморфных модификаций, доменных структур и колебательной неоднородности.