Metamaterialeabsorbere til infrarøde inspektionsteknologier

Plasmoniske metamaterialer er menneskeskabte stoffer, hvis struktur kan manipuleres for at påvirke den måde, de interagerer med lys på. Som sådan, metamaterialer tilbyder en attraktiv platform til registrering af applikationer, inklusive infrarød (IR) absorptionsspektroskopi – en teknik, der bruges til at afdække detaljer om stoffernes kemiske sammensætning og struktur.

Nu, Atsushi Ishikawa ved Okayama University og kolleger har fremstillet en ny plasmonisk metamaterialeabsorber bestående af guld og magnesiumfluor, der er i stand til højfølsom IR-detektion. Metamaterialet kan vise sig at være uvurderligt i udviklingen af ​​næste generations IR-inspektionsteknologier.

Forskerne designet omhyggeligt deres absorber for at maksimere IR-signalet og minimere baggrundsstøj. Metamaterialet består af 50 nm guldbånd på en tyk guldfilm, adskilt af et lag magnesiumfluor (se billede).

Bølgelængden af ​​IR er længere og har mindre energi end synligt lys, hvilket betyder, at det ikke er stærkt nok til at excitere elektroner, i modsætning til andre typer spektroskopi. IR-absorptionsspektroskopi udnytter derfor IR's evne til at inducere vibrationer i bundne atomer. Organiske forbindelser vil absorbere IR-stråling svarende til de forskellige typer af molekylære vibrationer til stede; de resulterende absorptionsspektre fortæller forskerne om forbindelsernes unikke kemiske struktur.

For at teste det nye metamateriales muligheder, holdet besluttede at identificere de strækkende vibrationsformer af carbon-hydrogen-bindinger i 16-Mercaptohexadecansyre (16-MHDA). De dyppede absorberen i 16-MHDA ethanolopløsning for at tilskynde til at udvikle et selvsamlende monolag af syremolekylerne. Under IR-stråling ved forskellige indfaldsvinkler, metamateriale-monolag spektral output viste distinkte toppe svarende til carbon-hydrogen strækning, med de mest udtalte toppe under IR i en vinkel på 40°.

Den nye metamateriale-tilgang gav meget detaljerede målinger vedrørende små molekylære detaljer (på attamol-niveau) i 16-MHDA-monolaget. Forskerne håber, at deres nye teknik vil åbne døre til udviklingen af ​​ultrafølsomme IR-inspektionsteknologier til materialevidenskab og sikkerhedsapplikationer.

Metamaterialer

Evnen til at manipulere lysabsorptionen af ​​materialer kan revolutionere mange teknologier, såsom fotovoltaiske celler og termiske enheder. Forskning i design og udvikling af plasmoniske metamaterialer er stadig relativt ny. Disse materialer er syntetiske, og videnskabsmænd kan designe deres overfladestrukturer til at udnytte adfærden af ​​overfladeplasmoner - kvasipartikler, der findes på metaloverflader og interagerer med lys - for at opnå justerbare optiske egenskaber.

Infrarød absorptionsspektroskopi kunne forbedres dramatisk ved introduktionen af ​​justerbare metamateriale-baserede absorbere designet til at muliggøre detektering i høj opløsning af små molekylære detaljer.

Metodik

Metamaterialeabsorberen bygget af holdet bestod af guld nano-bånd (mål 50 nm tykke) på en guldfilm base, med et tyndt lag magnesiumfluor, der adskiller de to guldlag. Når molekylære monolag samles selv på ædle metaloverflader, de antog, at det guldbaserede metamateriale ville vise sig at være en stærk kandidat til at muliggøre højopløsningsmåling af IR-inducerede vibrationstilstande i selvsamlende monolag.

Deres tilgang involverede at dække deres metamaterialeabsorber med et ultratyndt selvsamlende monolag af 16-MDHA-syremolekyler. De dækkede også en nøgen guldfilmprøve med det samme monolag til sammenligning.

Forskerne udsatte de to monolag for IR-stråling ved forskellige indfaldsvinkler. Monolaget på bart guld udviste et lavt signal-støjforhold, og det var meget vanskeligt at se absorptionsfaldene på det spektrale output svarende til den IR-inducerede carbon-hydrogen-strækning i monolaget.

I modsætning, absorptionsfaldene var meget udtalte i den spektrale udlæsning for metamateriale-monolaget, fordi vibrationstilstandene af 16-MHDA-molekylerne gav genlyd med metamaterialets plasmoniske tilstande. Denne såkaldte 'resonanskobling' producerede distinkte toppe svarende til IR-induceret carbon-hydrogen-strækning i 16-MHDA-molekylstrukturen. Resonanskoblingen var afhængig af vinklen af ​​det indfaldende lys, med de klareste, stærkeste signal i en vinkel på 40°.

Forskerne mener, at deres absorber kan åbne døre til nye ultrafølsomme IR-detektionsteknologier. Yderligere, deres teknik kunne udnyttes på andre måder – ved at optimere overfladestrukturen af ​​andre metamaterialer, de kunne forbedre resonanskoblingen yderligere og muliggøre følsomheder ned til zeptomolniveauet.