Fysikere opnår molekylære fingeraftryk ved hjælp af plasmoner

Forskere fra Center for Fotonik og 2D-materialer fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi (MIPT), universitetet i Oviedo, Donostia International Physics Center, og CIC nanoGUNE har foreslået en ny måde at studere egenskaberne ved individuelle organiske molekyler og nanolag af molekyler. Tilgangen, beskrevet i Nanofotonik , er afhængig af V-formede grafen-metalfilmstrukturer.

Ikke-destruktiv analyse af molekyler via infrarød spektroskopi er afgørende i mange situationer i organisk og uorganisk kemi:til styring af gaskoncentrationer, påvisning af polymernedbrydning, måling af alkoholindhold i blodet, osv. Dog denne enkle metode er ikke anvendelig til små antal molekyler i et nanovolumen. I deres nylige undersøgelse, forskere fra Rusland og Spanien foreslår en måde at løse dette på.

Et nøglebegreb, der ligger til grund for den nye teknik, er en plasmon. Bredt defineret, det refererer til en elektronoscillation koblet til en elektromagnetisk bølge. Forplanter sig sammen, de to kan ses som en kvasipartikel.

Undersøgelsen betragtede plasmoner i en kileformet struktur flere dusin nanometer i størrelse. Den ene side af kilen er et et-atom-tykt lag af kulstofatomer, kendt som grafen. Det rummer plasmoner, der formerer sig langs arket, med oscillerende ladninger i form af Dirac -elektroner eller huller. Den anden side af den V-formede struktur er en guld- eller anden elektrisk ledende metalfilm, der løber næsten parallelt med grafenarket. Mellemrummet er fyldt med et tilspidset lag af dielektrisk materiale - f.eks. bornitrid - det er 2 nanometer tykt på det smalleste (fig. 1).

En sådan opsætning muliggør plasmonlokalisering, eller fokusering. Dette refererer til en proces, der omdanner almindelige plasmoner til kortere bølgelængder, kaldes akustisk. Når en plasmon forplanter sig langs grafen, dens felt tvinges ind i gradvist mindre rum i den tilspidsede kile. Som resultat, bølgelængden bliver mange gange mindre, og feltamplituden i området mellem metallet og grafen bliver forstærket. På den måde, en almindelig plasmon forvandles gradvist til en akustisk.

"Det var tidligere kendt, at polaritoner og bølgetilstande gennemgår en sådan komprimering i tilspidsede bølgeledere. Vi satte os for at undersøge denne proces specifikt for grafen, men fortsatte derefter med at overveje de mulige anvendelser af grafen-metal-systemet med hensyn til at producere molekylære spektre, " sagde papirets medforfatter Kirill Voronin fra MIPT Laboratory of Nanooptics and Plasmonics.

Holdet testede sin idé på et molekyle kendt som CBP, som bruges i medicin og organiske lysdioder. Det er kendetegnet ved en fremtrædende absorptionstop ved en bølgelængde på 6,9 mikrometer. Undersøgelsen så på responsen af ​​et lag af molekyler, som blev placeret i den tynde del af kilen, mellem metal og grafen. Det molekylære lag var så tyndt som 2 nanometer, eller tre størrelsesordener mindre end bølgelængden af ​​laserspændende plasmoner. At måle en så lav absorption af molekylerne ville være umuligt ved brug af konventionel spektroskopi.

I opstillingen foreslået af fysikerne, imidlertid, feltet er lokaliseret i et meget snævrere rum, gør det muligt for teamet at fokusere på prøven, så godt som at registrere et svar fra flere molekyler eller endda et enkelt stort molekyle såsom DNA.

Der er forskellige måder at excitere plasmoner på i grafen. Den mest effektive teknik er afhængig af et scattering-type scanning nærfeltsmikroskop. Dens nål er placeret tæt på grafen og bestrålet med en fokuseret lysstråle. Da nålespidsen er meget lille, den kan excitere bølger med en meget stor bølgevektor – og en lille bølgelængde. Plasmoner exciteret væk fra den tilspidsede ende af kilen bevæger sig langs grafen mod de molekyler, der skal analyseres. Efter at have interageret med molekylerne, plasmonerne reflekteres i den tilspidsede ende af kilen og spredes derefter af den samme nål, som oprindeligt exciterede dem, som dermed fordobles som en detektor.

"Vi beregnede refleksionskoefficienten, det er, forholdet mellem den reflekterede plasmonintensitet og intensiteten af ​​den oprindelige laserstråling. Refleksionskoefficienten afhænger klart af frekvensen, og den maksimale frekvens falder sammen med molekylernes absorptionstoppe. Det bliver tydeligt, at absorptionen er meget svag - omkring flere procent - i tilfælde af almindelige grafenplasmoner. Når det kommer til akustiske plasmoner, refleksionskoefficienten er titusinder af procent lavere. Det betyder, at strålingen absorberes kraftigt i det lille lag af molekyler, " tilføjer avisens medforfatter og MIPT-gæsteprofessor Alexey Nikitin, en forsker ved Donostia International Physics Center, Spanien.

Efter visse forbedringer af de involverede teknologiske processer, ordningen foreslået af de russiske og spanske forskere kan bruges som grundlag for at skabe faktiske enheder. Ifølge holdet, de ville primært være nyttige til at undersøge egenskaberne af dårligt undersøgte organiske forbindelser og til at påvise kendte.