Emissione di luce da una giunzione STM con una punta plasmonica di Fabry-PérotNanolight (plasmone di superficie localizzato) è eccitato nella giunzione STM mediante tunneling di elettroni (e-). La luce emessa (hv) mostra uno spettro modulato risultante da un'interferenza di Fabry-Pérot del polaritone plasmonico di superficie in propagazione sull'albero. Credito:Takashi Kumagai
La manipolazione della luce su scala nanometrica nelle giunzioni del microscopio a effetto tunnel è ottenuta mediante la nanofabbricazione di punte d'oro utilizzando una tecnica a fascio di ioni focalizzato. Ricercatori dell'Istituto Fritz-Haber, Berlino, Germania, hanno dimostrato che uno spettro di nanoluce in una giunzione plasmonica su nanoscala può essere modulato con punte Fabry-Pérot plasmoniche. Il controllo preciso della nanoluce è di fondamentale importanza per l'imaging su nanoscala e la spettroscopia per studiare la struttura, dinamica, e le proprietà optoelettroniche dei nanomateriali e delle singole molecole.
La risoluzione spaziale della microscopia ottica e della spettroscopia è determinata da quanto si può confinare la luce nello spazio, che di solito è limitato a circa mezzo micrometro nella migliore delle ipotesi a causa del limite di diffrazione. Però, la luce può essere confinata in scala nanometrica utilizzando nanostrutture metalliche attraverso l'eccitazione della risonanza plasmonica superficiale localizzata (LSPR). Avere tale nanoluce su una punta metallica affilata è particolarmente utile perché può essere utilizzato nella scansione della luminescenza a effetto tunnel (STL) e nella microscopia ottica a scansione di campo vicino (s-SNOM) a scansione di tipo scattering eseguendo l'imaging e la spettroscopia su nanoscala per osservare i nanomateriali e persino i singoli molecole. Però, la manipolazione precisa della nanoluce nella giunzione su scala nanometrica è rimasta un problema in sospeso. Poiché la natura della nanoluce (LSPR) è determinata dalla struttura nanoscopica della punta, la sua manipolazione richiede una tecnica di elaborazione fine su scala nanometrica. Inoltre, la nanoluce confinata nelle nanocavità è di fondamentale importanza a causa del forte effetto di potenziamento di un campo elettromagnetico, che consente l'imaging e la spettroscopia su nanoscala ultrasensibile.
Un gruppo di ricerca del Fritz-Haber Institute di Berlino, guidato dal dottor Takashi Kumagai, ha ora dimostrato che la manipolazione dello spettro della nanoluce può essere ottenuta modellando accuratamente le punte d'oro plasmoniche con una tecnica di fresatura a fascio ionico focalizzato (FIB). Come dimostrazione esemplare, hanno prodotto una punta molto affilata con un'unica scanalatura sul gambo, come mostrato nell'immagine al microscopio elettronico a scansione. La risposta spettrale della nanoluce confinata nella nanocavità formata dalla punta scanalata e da una superficie d'argento atomicamente piatta è stata studiata utilizzando STL, ovvero la combinazione di spettroscopie elettroniche e ottiche utilizzando la microscopia a effetto tunnel. Gli spettri STML con le punte scanalate mostrano una modulazione caratteristica risultante dall'interferenza di tipo Fabry-Pérot dei polaritoni plasmonici di superficie (SPP) sull'asta della punta mentre la formazione dell'onda stazionaria viene visualizzata nella simulazione elettrodinamica.
Risultati sperimentali e simulazione:(a) Immagini SEM di una punta FIB d'oro. Viene realizzata una singola scanalatura ad una distanza (L) dall'apice. (b) Schema della misurazione STL. L'emissione di luce (hv) avviene attraverso l'eccitazione di LSPR nella giunzione mediante tunneling di elettroni (e-).(c) Stli STL ottenuti da FIB-tips. La modulazione spettrale è osservata per le punte con una scanalatura e il periodo di oscillazione dipende dalla distanza della scanalatura. (d) Simulazioni elettrodinamiche della mappatura del campo elettrico bidimensionale per la punta FIB con una scanalatura. La formazione permanente di SPP si verifica sull'asta della punta. Credito:Takashi Kumagai
La modulazione spettrale può essere controllata con precisione dalla posizione della scanalatura sull'albero. Hanno anche dimostrato che l'interferenza SPP Fabry-Pérot può essere migliorata ottimizzando la forma complessiva della punta.
Questo lavoro mostra un grande potenziale della combinazione di tecniche di scansione delle sonde e nanofabbricazione di punte plasmoniche utilizzando FIB al fine di studiare la natura delle interazioni tra nanoluce e luce-materia nelle nanocavità, che rappresentano un'importante frontiera della plasmonica e della nanoottica. Inoltre, le punte plasmoniche fabbricate da FIB sono generalmente applicabili alle tecniche s-SNOM, aprendo così la strada all'imaging e alla spettroscopia su nanoscala con un alto grado di precisione. Inoltre, il controllo spettrale dell'intenso campo vicino all'apice delle punte plasmoniche può aprire nuove opportunità per la realizzazione di sorgenti puntiformi di elettroni coerenti innescate da laser per tecniche di microscopia elettronica e olografia a bassa energia.
