Ny nanoskala billeddannelsesmetode finder anvendelse i plasmonics

Forskere fra National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Maryland har vist, hvordan man laver målinger i nanoskala af kritiske egenskaber ved plasmoniske nanomaterialer - de specielt konstruerede nanostrukturer, der modificerer samspillet mellem lys og stof til en række forskellige anvendelser, inklusive sensorer, tilsløring (usynlighed), solcelleanlæg og terapi.

Deres teknik er en af ​​de få, der gør det muligt for forskere at foretage egentlige fysiske målinger af disse materialer på nanoskala uden at påvirke nanomaterialets funktion.

Plasmoniske nanomaterialer indeholder specielt konstruerede ledende nanoskalastrukturer, der kan forbedre interaktionen mellem lys og et tilstødende materiale, og formen og størrelsen af ​​sådanne nanostrukturer kan justeres for at tune disse interaktioner. Teoretiske beregninger bruges ofte til at forstå og forudsige de optiske egenskaber af plasmoniske nanomaterialer, men få eksperimentelle teknikker er tilgængelige til at studere dem i detaljer. Forskere skal være i stand til at måle de optiske egenskaber af individuelle strukturer, og hvordan hver enkelt interagerer med omgivende materialer direkte på en måde, der ikke påvirker, hvordan strukturen fungerer.

"Vi ønsker at maksimere følsomheden af ​​disse resonator-arrays og studere deres egenskaber, " siger ledende forsker Andrea Centrone. "For at gøre det, vi havde brug for en eksperimentel teknik, som vi kunne bruge til at verificere teori og til at forstå indflydelsen af ​​nanofabrikationsdefekter, som typisk findes i rigtige prøver. Vores teknik har den fordel, at den er ekstremt følsom både rumligt og kemisk, og resultaterne er ligetil at fortolke."

Forskerholdet vendte sig mod fototermisk induceret resonans (PTIR), en ny kemisk specifik materialeanalyseteknik, og viste, at det kan bruges til at afbilde responsen af ​​plasmoniske nanomaterialer exciteret af infrarødt (IR) lys med opløsning i nanometerskala.

Holdet brugte PTIR til at afbilde den absorberede energi i ringformede plasmoniske resonatorer. Resonatorerne i nanoskala fokuserer det indkommende IR-lys inden for ringenes mellemrum for at skabe "hot spots", hvor lysabsorptionen forbedres, hvilket giver en mere følsom kemisk identifikation. For første gang, forskerne kvantificerede præcist absorptionen i hot spots og viste, at for prøverne under undersøgelse, den er cirka 30 gange større end områder væk fra resonatorerne.

Forskerne viste også, at plasmoniske materialer kan bruges til at øge følsomheden af ​​IR- og PTIR-spektroskopi til kemisk analyse ved at øge den lokale lysintensitet, og derved, det spektroskopiske signal.

Deres arbejde demonstrerede yderligere alsidigheden af ​​PTIR som et måleværktøj, der tillader samtidig måling af et nanomateriales form, størrelse, og kemisk sammensætning - de tre egenskaber, der bestemmer et nanomateriales egenskaber. I modsætning til mange andre metoder til sondering af materialer på nanoskala, PTIR griber ikke ind i det materiale, der undersøges; det kræver ikke, at forskeren har forudgående viden om materialets optiske egenskaber eller geometri; og det returnerer data, der er lettere at fortolke end andre teknikker, der kræver at adskille prøvens respons fra probens respons.