I ricercatori del centro di ricerca basco sulle nanoscienze CIC nanoGUNE e Neaspec GmbH (Germania) hanno sviluppato uno strumento che consente di registrare spettri infrarossi con una sorgente termica a una risoluzione 100 volte migliore rispetto alla spettroscopia a infrarossi convenzionale. In futuro, la tecnica potrebbe essere applicata per analizzare la composizione chimica locale e la struttura dei materiali su scala nanometrica nei compositi polimerici, dispositivi a semiconduttore, minerali o tessuti biologici. L'opera è pubblicata in Materiali della natura .

L'assorbimento della radiazione infrarossa è caratteristico della composizione chimica e della struttura dei materiali. Per questa ragione, uno spettro infrarosso può essere considerato come "impronta digitale" di un materiale. La spettroscopia a infrarossi è quindi diventata uno strumento importante per caratterizzare e identificare i materiali ed è ampiamente applicata in diverse scienze e tecnologie, comprese le scienze dei materiali e la diagnostica biomedica. Però, con strumenti ottici convenzionali, come spettrometri infrarossi FTIR (Fourier Transform Infrared), la luce non può essere focalizzata per individuare dimensioni inferiori a diversi micrometri. Questa limitazione fondamentale impedisce la mappatura spettroscopica infrarossa di singole nanoparticelle, molecole o moderni dispositivi a semiconduttore.

I ricercatori di nanoGUNE e Neaspec hanno ora sviluppato uno spettrometro a infrarossi che consente l'imaging su nanoscala con radiazioni termiche. La configurazione, in breve nano-FTIR (vedi figura), si basa su un microscopio a campo vicino di tipo scattering (NeaSNOM) che utilizza una punta metallica affilata per scansionare la topografia di una superficie del campione. Durante la scansione della superficie, la punta è illuminata con la luce infrarossa di una sorgente termica. Agendo come un'antenna, la punta converte la luce incidente in un punto infrarosso su scala nanometrica (nanofocus) all'apice della punta. Analizzando la luce infrarossa diffusa con uno spettrometro FTIR appositamente progettato, i ricercatori sono stati in grado di registrare spettri infrarossi da volumi di campione ultra-piccoli.

Nei loro esperimenti, i ricercatori sono riusciti a registrare immagini a infrarossi di un dispositivo a semiconduttore di Infineon Technologies AG (Monaco). "Abbiamo ottenuto una risoluzione spaziale migliore di 100 nm. Questo mostra direttamente che la radiazione termica può essere focalizzata su una dimensione del punto che è cento volte più piccola rispetto alla spettroscopia a infrarossi convenzionale", dice Florian Huth, che ha eseguito gli esperimenti. Il ricercatore ha dimostrato che il nano-FTIR può essere applicato per riconoscere ossidi di silicio elaborati in modo diverso o per misurare la densità elettronica locale all'interno di dispositivi elettronici industriali complessi. "La nostra tecnica consente di registrare spettri nella gamma spettrale dell'infrarosso vicino e lontano. Questa è una caratteristica essenziale per analizzare la composizione chimica di nanomateriali sconosciuti", spiega Rainer Hillenbrand, leader del gruppo Nanooptics a nanoGUNE.

Nano-FTIR ha interessanti potenzialità applicative in scienze e tecnologie molto diverse, che vanno dall'industria dei semiconduttori alla nanogeochimica e all'astrofisica. "Sulla base della spettroscopia vibrazionale delle impronte digitali, potrebbe essere applicato per la mappatura su nanoscala della composizione chimica e delle proprietà strutturali di nanosistemi organici e inorganici, compresi i semiconduttori organici, celle solari, nanofili, ceramiche e minerali", aggiunge FlorianHuth.