Schema che mostra la tecnica di risonanza fototermica indotta (PTIR), che combina la risoluzione laterale della microscopia a forza atomica (AFM) con la specificità chimica della spettroscopia IR. Una lunghezza d'onda sintonizzabile, laser IR pulsato (viola) illumina un campione costituito da risonatori plasmonici in oro dal basso. L'espansione termica risultante del campione viene rilevata localmente dalla punta a sbalzo AFM, che viene monitorato riflettendo un laser (blu) sul retro del cantilever.
I ricercatori del NIST Center for Nanoscale Science and Technology (CNST) e dell'Università del Maryland hanno utilizzato per la prima volta la risonanza fototermica indotta (PTIR) per caratterizzare i singoli nanomateriali plasmonici al fine di ottenere mappe di assorbimento e spettri con risoluzione su scala nanometrica. La nanostrutturazione dei materiali plasmonici consente l'ingegneria della loro risposta ottica risonante e crea nuove opportunità per applicazioni che beneficiano di interazioni luce-materia migliorate, compreso il rilevamento, fotovoltaico, fotocatalisi, e terapeutici.
Il progresso nella nanotecnologia è spesso reso possibile dalla disponibilità di metodi di misurazione per caratterizzare i materiali su scale di lunghezza opportunamente ridotte. Misurando l'assorbimento degli infrarossi su scala nanometrica, PTIR fornisce informazioni che non sono altrimenti disponibili per la caratterizzazione e l'ingegneria dei materiali plasmonici. Il PTIR misura l'assorbimento della luce in un materiale utilizzando un laser sintonizzabile in lunghezza d'onda e una punta affilata a contatto con il campione come rilevatore locale. A differenza di molti altri metodi che utilizzano punte su scala nanometrica per sondare i materiali, in PTIR la punta è passiva e non interferisce con la misurazione. Di conseguenza, l'assorbimento della luce nel campione può essere misurato direttamente senza richiedere né un modello della punta né una conoscenza preliminare del campione.
I ricercatori hanno raccolto informazioni sull'assorbimento su nanoscala in due modi:primo, mappando l'assorbimento infrarosso durante la scansione di una punta su un campione sotto un'illuminazione a lunghezza d'onda costante; e secondo, misurando gli spettri di assorbimento specifici della posizione durante la scansione di un laser su una gamma di lunghezze d'onda infrarosse. Utilizzando laser sintonizzabili che danno agli utenti della struttura CNST la possibilità di variare le lunghezze d'onda da 1,55 µm a 16,00 µm, i ricercatori hanno acquisito gli spettri di assorbimento a infrarossi su scala nanometrica dei risonatori d'oro, la prima di tali misurazioni di qualsiasi nanomateriale plasmonico. Sebbene le immagini di assorbimento permettano una visualizzazione immediata e possano essere misurate con altre tecniche, gli spettri PTIR forniscono le informazioni necessarie per interpretare le immagini e guidare gli esperimenti.
Materiali plasmonici come l'oro, che hanno una grande conduttività termica e coefficienti di dilatazione termica relativamente piccoli, in precedenza si pensava che fosse difficile misurare utilizzando PTIR perché la tecnica si basa sull'espansione termica del campione per misurare l'assorbimento della luce. Secondo Andrea Centrone, un Project Leader nel Gruppo di Ricerca Energetica, "abbiamo dimostrato che la caratterizzazione PTIR non è applicabile solo a isolanti e semiconduttori, come dimostrato in precedenza, ma che anche i metalli sono suscettibili di esso. Questo è un importante passo avanti per applicare la tecnica PTIR a una più ampia varietà di dispositivi funzionali".
