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La microscopía hiperespectral es una técnica de visualización avanzada que combina imágenes hiperespectrales con óptica de última generación y software informático para permitir la identificación rápida de nanomateriales. Debido a que los cubos de datos hiperespectrales son grandes, recopilarlos es complicado y requiere mucho tiempo.
Estudio: microscopía hiperespectral compacta y económica de materiales 2D utilizando iluminación codificada espectralmente. Crédito: DongIpix/Shutterstock.com
A pesar de la eficiencia del escaneo espectral en la captura de cubos de datos hiperespectrales, esta técnica no se puede extender a una gran cantidad de bandas espectrales porque contienen poca luz debido a los filtros de banda estrecha y las dificultades mecánicas al usar ruedas de filtros grandes.
Sin embargo, la aplicación de un dispositivo de microespejo digital (DMD) puede evitar las desventajas anteriores durante la multiplexación espectral. El uso de un solo DMD evita la necesidad de grandes ruedas de filtros al promover la programación espectral arbitraria.
En un artículo publicado en el Journal of Physical Chemistry C, se utilizó un microscopio de multiplexación de campo claro basado en DMD para estudiar los nanomateriales bidimensionales (2D). Además, se demostró la eficacia de la microscopía basada en DMD midiendo el espesor de grafeno multicapa y sulfuro de molibdeno (MoS2) a partir de sus correspondientes espectros de contraste, que luego fueron comparados con sus curvas teóricas para su validación.
Microscopía hiperespectral para caracterizar materiales 2D
Los materiales 2D semiconductores atómicamente delgados se utilizan ampliamente en nanofotónica, y las excelentes propiedades ópticas de estos materiales 2D juegan un papel crucial en muchas aplicaciones. Por lo tanto, una caracterización precisa de estos materiales 2D es crucial para usarlos en estructuras de dispositivos para modelar los contactos eléctricos requeridos.
En este sentido, la microscopía hiperespectral de difracción limitada sirve como una herramienta prometedora para comprender estos materiales 2D. La difracción limitada en esta microscopía resuelve las características finas en escamas individuales o dispositivos de material.
La microscopía hiperespectral es una modalidad de imagen espectral que puede obtener y reproducir en forma de imagen la información espectroscópica completa de una muestra, y es una técnica que se está desarrollando y explorando para abordar los desafíos analíticos actuales para materiales a nanoescala 2D.
La microscopía hiperespectral implica la combinación funcional de un microscopio tradicional de alta resolución y un espectrómetro. La motivación detrás del desarrollo de esta técnica para aplicaciones biomédicas surge del interés en el espectro de emisión o reflexión de la muestra biológica, que contiene información estructural, bioquímica o fisiológica importante.
Las propiedades ópticas únicas de los materiales 2D dependen en gran medida del número de capas atómicas. La microscopía de imágenes hiperespectrales muestra un gran potencial para el mapeo de espesor rápido y preciso.
Microscopía hiperespectral de materiales 2D
En el presente estudio, se empleó el DMD para codificar el contenido espectral de la fuente de iluminación y superar las dificultades mecánicas de la microscopía hiperespectral en términos de obtención de imágenes con una rueda de filtros. Esta técnica promovió la multiplexación de Hadamard en el contenido espectral de la muestra, mejorando el rendimiento de la luz sin sacrificar la relación señal/ruido.
Aunque el uso de DMD como filtro espectral programable se ha informado anteriormente, este fue el primer trabajo que lo aplicó a la microscopía hiperespectral de nanomateriales. El microscopio multiplexor propuesto constaba de un iluminador y un generador de imágenes. Si bien se utilizó un proyector hiperespectral en el lado de la iluminación, la cámara consistía en un microscopio de campo brillante de luz reflejada.
Además, la entrada del microscopio tenía una lente biconvexa que enfocaba la luz incidente en el plano focal posterior del objetivo para realizar la iluminación de Koehler. Por otro lado, la lente enfocaba la iluminación espectralmente programada sobre la muestra y recogía la luz reflejada.
El ancho de banda y la resolución espectral del microscopio se incrementaron utilizando sulfuro de tantalio (TaS2) ya que es altamente reflectante en el rango visible. Las dos imágenes hiperespectrales obtenidas mostraron que las características topográficas eran mayores en modo transmisión que en modo reflexión.
Medición de picos de excitones en MoS2 y la comparación con el resultado teórico calculado utilizando las ecuaciones de Fresnel mostró una buena concordancia con los espectros teóricos para MoS monocapa y bicapa.2.
Además, la imagen de la cámara de las nanoláminas de grafito y la imagen hiperespectral reconstruida revelaron regiones con múltiples escamas espacialmente separadas. La imagen reconstruida ayudó a determinar ópticamente el grosor de las escamas en diferentes lugares de la nanohoja.
Conclusión
En conclusión, se ha demostrado la microscopía hiperespectral rápida, de campo grande y limitada por difracción versus la espectroscopía de contraste. El sistema propuesto podría aplicarse para caracterizar nuevos dispositivos y heteroestructuras de película delgada. Las modificaciones adicionales al microscopio hiperespectral pueden permitir diferentes experimentos.
Por ejemplo, las imágenes hiperespectrales de muestra, transmisión y reflexión se pueden lograr simultáneamente con un objetivo de larga distancia de trabajo. Imágenes hiperespectrales de TaS2 con tres regiones de diferente grosor mostró que las características topográficas eran más grandes en el modo de transmisión que en el modo de reflexión.
Por otro lado, realizar microscopía de video hiperespectral en las muestras que evolucionan con el tiempo permitió escanear tanto las dimensiones espectrales como las temporales. Además, las imágenes de un solo píxel podrían integrarse naturalmente en el sistema utilizando DMD y un solo detector en lugar de una cámara.
Esto permitió la microscopía hiperespectral en el infrarrojo, que de otro modo sería costosa para las cámaras. La información espacial, temporal y espectral se adquirió en un solo detector, seguido de la reconstrucción utilizando algoritmos de recuperación de detección de compresión.
Relación
Giljum AT, Ringe E, Kelly KF (2022) Microscopía hiperespectral compacta y económica de materiales 2D mediante iluminación codificada espectralmente. El Diario de Química Física C. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.2c04018
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