La luce laser infrarossa (viola) dal basso di un campione (blu) eccita le strutture di risonatore plasmonico su nanoscala a forma di anello (oro). Si formano punti caldi (bianchi) negli spazi vuoti degli anelli. In questi punti caldi, l'assorbimento dell'infrarosso è migliorato, consentendo un riconoscimento chimico più sensibile. Una punta AFM a scansione rileva l'espansione del materiale sottostante in risposta all'assorbimento della luce infrarossa. Credito:NIST
I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e dell'Università del Maryland hanno mostrato come effettuare misurazioni su nanoscala delle proprietà critiche dei nanomateriali plasmonici, le nanostrutture appositamente progettate che modificano l'interazione tra luce e materia per una varietà di applicazioni, compresi i sensori, occultamento (invisibilità), fotovoltaici e terapeutici.
La loro tecnica è una delle poche che consente ai ricercatori di effettuare misurazioni fisiche effettive di questi materiali su scala nanometrica senza influire sulla funzione del nanomateriale.
I nanomateriali plasmonici contengono strutture conduttive su nanoscala appositamente progettate che possono migliorare l'interazione tra la luce e un materiale adiacente, e la forma e le dimensioni di tali nanostrutture possono essere regolate per regolare queste interazioni. I calcoli teorici sono spesso utilizzati per comprendere e prevedere le proprietà ottiche dei nanomateriali plasmonici, ma sono disponibili poche tecniche sperimentali per studiarli in dettaglio. I ricercatori devono essere in grado di misurare le proprietà ottiche delle singole strutture e il modo in cui ciascuna interagisce direttamente con i materiali circostanti in un modo che non influisca sul funzionamento della struttura.
"Vogliamo massimizzare la sensibilità di questi array di risonatori e studiarne le proprietà, ", afferma il ricercatore capo Andrea Centrone. "Per fare ciò, avevamo bisogno di una tecnica sperimentale che potessimo utilizzare per verificare la teoria e comprendere l'influenza dei difetti di nanofabbricazione che si trovano tipicamente nei campioni reali. La nostra tecnica ha il vantaggio di essere estremamente sensibile spazialmente e chimicamente, e i risultati sono semplici da interpretare."
Il team di ricerca si è rivolto alla risonanza fototermica indotta (PTIR), una tecnica emergente di analisi dei materiali chimicamente specifica, e ha mostrato che può essere utilizzato per visualizzare la risposta dei nanomateriali plasmonici eccitati dalla luce infrarossa (IR) con una risoluzione su scala nanometrica.
Il team ha utilizzato il PTIR per visualizzare l'energia assorbita nei risonatori plasmonici a forma di anello. I risonatori su scala nanometrica focalizzano la luce IR in entrata all'interno degli spazi degli anelli per creare "punti caldi" in cui l'assorbimento della luce è migliorato, che rende l'identificazione chimica più sensibile. Per la prima volta, i ricercatori hanno quantificato con precisione l'assorbimento nei punti caldi e hanno dimostrato che per i campioni in esame, è circa 30 volte maggiore delle aree lontane dai risonatori.
I ricercatori hanno anche dimostrato che i materiali plasmonici possono essere utilizzati per aumentare la sensibilità della spettroscopia IR e PTIR per l'analisi chimica migliorando l'intensità della luce locale, e con ciò, il segnale spettroscopico.
Il loro lavoro ha ulteriormente dimostrato la versatilità del PTIR come strumento di misurazione che consente la misurazione simultanea della forma di un nanomateriale, dimensione, e composizione chimica, le tre caratteristiche che determinano le proprietà di un nanomateriale. A differenza di molti altri metodi per sondare i materiali su scala nanometrica, PTIR non interferisce con il materiale in esame; non richiede che il ricercatore abbia una conoscenza preventiva delle proprietà ottiche o della geometria del materiale; e restituisce dati più facilmente interpretabili rispetto ad altre tecniche che richiedono di separare la risposta del campione dalla risposta della sonda.