Автор: AZoNano 25 ноября 2019 года

Разработка новых и усовершенствованных компонентов двумерных (2D) материалов, таких как графен, требует инструментов для характеристики их качества. Рамановская спектроскопия является золотым стандартом для этого процесса, но его основным недостатком является низкая скорость. Кроме того, лазерное излучение может также повредить некоторые 2D материалы.

Изображение предоставлено: Forance / Shutterstock.com

Исследователи из Университета Твенте добавили интеллектуальный алгоритм к обнаружению, что привело к тому, что «рамановский» метод работал как минимум в 50 раз быстрее, и сделал его более «нежным» для чувствительных материалов.

Графен постоянно поднимает планку, как прочный, ультратонкий 2D материал, который также может стать основой для новых компонентов в информационных технологиях. Существует большая потребность в характеристике графеновых устройств. Это может быть достигнуто с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния.

Лазерный свет передается на образец материала, а рассеянные фотоны предоставляют информацию о колебаниях и вращениях молекул внутри и, следовательно, о кристаллической структуре.

В среднем, только приблизительно 1 из 10 миллионов фотонов рассеивается таким образом. Это не только затрудняет идентификацию правильной информации, но и является довольно медленным: может потребоваться полсекунды для отображения одного пикселя. Вопрос в том, остается ли по-прежнему Раман, или есть ли лучшие заменители.

Исследователи UT Сачин Наир и Цзюнь Гао используют спектроскопию комбинационного рассеяния в качестве предварительной точки, но им удается значительно увеличить скорость: они достигают этого не путем изменения самого метода, а путем включения алгоритма.

Подавление шума

Этот алгоритм не является чем-то незнакомым в области обработки сигналов, и его называют Основным компонентным анализом (PCA). Он используется для улучшения отношения сигнал / шум. PCA устанавливает характеристики шума и характеристики «реального» сигнала. Чем больше набор данных, тем более надежным является это распознавание, и тем более четким может быть фактический сигнал.

Кроме того, современные рамановские приборы включают в себя детектор, известный как электронно-умножающее устройство с зарядовой связью (EMCCD), который повышает отношение сигнал / шум. Конечным результатом этой исследовательской работы является то, что обработка одного пикселя занимает не полсекунды, а всего 10 мс или меньше. Больше не требуется часов, чтобы отобразить один образец.

Важной особенностью уязвимых материалов, таких как оксид графена, является то, что прочность лазера может быть уменьшена в два или три раза. Это важные шаги вперед для получения быстрого контроля над свойствами материалов.

Многоцелевой

Помимо графена, расширенный рамановский метод может также применяться к другим двумерным материалам, таким как герман, дисульфид вольфрама, дисульфид молибдена, силикон и нитрид бора. Применение алгоритма не ограничивается рамановской спектроскопией; методы, такие как атомно-силовая микроскопия и другие гиперспектральные методы, также могли бы извлечь из этого пользу.

Исследование было проведено группой по физике сложных жидкостей профессора Фридера Мугеле, входящей в состав Института MESA + UT. Исследователи установили партнерские отношения с группой «Биофизика медицинских клеток» и группой «Физика интерфейсов и наноматериалов», оба из Университета Твенте.

Научно-исследовательская статья «Алкогольно-индуцированная высокоскоростная и неинвазивная конфокальная комбинационная томография двухмерных материалов», подготовленная Сачином Наиром, Цзюнь Гао, Киронгом Яо, Майклом Дуитсом, Сис Отто и Фридером Мугеле, была опубликована в National Science Review журнал открытого доступа под эгидой Китайской академии наук.

Источник: https://www.utwente.nl/en