Måling af absorptionskort og spektre af plasmoniske resonatorer med opløsning i nanoskala

Forskere fra NIST Center for Nanoscale Science and Technology (CNST) og University of Maryland har for første gang brugt fototermisk induceret resonans (PTIR) til at karakterisere individuelle plasmoniske nanomaterialer for at opnå absorptionskort og spektre med opløsning i nanometerskala. Nanostrukturering af plasmoniske materialer muliggør konstruktion af deres resonante optiske respons og skaber nye muligheder for applikationer, der drager fordel af forbedrede lys-stof-interaktioner, inklusive sansning, solcelleanlæg, fotokatalyse, og terapeutiske midler.

Fremskridt inden for nanoteknologi er ofte muliggjort af tilgængeligheden af ​​målemetoder til at karakterisere materialer i passende små længdeskalaer. Ved at måle infrarød absorption på nanoskala, PTIR giver information, der ellers ikke er tilgængelig for karakterisering og konstruktion af plasmoniske materialer. PTIR måler lysabsorption i et materiale ved hjælp af en bølgelængdejusterbar laser og en skarp spids i kontakt med prøven som en lokal detektor. I modsætning til mange andre metoder, der bruger nanoskala tips til at sondere materialer, i PTIR er spidsen passiv og forstyrrer ikke målingen. Følgelig, lysabsorption i prøven kan måles direkte uden at kræve hverken en model af spidsen eller forudgående kendskab til prøven.

Forskerne indsamlede information om absorption i nanoskala på to måder:For det første, ved at kortlægge infrarød absorption under scanning af en spids på en prøve under konstant bølgelængdebelysning; og for det andet, ved at måle lokationsspecifikke absorptionsspektre, mens man fejer en laser over en række infrarøde bølgelængder. Ved at bruge afstembare lasere, der giver CNST-facilitetens brugere mulighed for at variere bølgelængderne fra 1,55 µm til 16,00 µm, forskerne erhvervede guldresonatorernes infrarøde absorptionsspektre i nanoskala, den første sådan måling af noget plasmonisk nanomateriale. Selvom absorptionsbilleder tillader øjeblikkelig visualisering og kan måles med andre teknikker, PTIR-spektrene giver den nødvendige information til at fortolke billederne og guide eksperimenter.

Plasmoniske materialer som guld, som har stor varmeledningsevne og relativt små varmeudvidelseskoefficienter, tidligere anset for at være udfordrende at måle ved hjælp af PTIR, fordi teknikken er afhængig af prøvens termiske udvidelse til måling af lysabsorption. Ifølge Andrea Centrone, projektleder i Energiforskningsgruppen, "Vi viste, at PTIR-karakterisering ikke kun er anvendelig til isolatorer og halvledere, som tidligere vist, men at metaller også er modtagelige for det. Dette er et vigtigt skridt fremad for at anvende PTIR-teknikken til et bredere udvalg af funktionelle enheder."