Nanofocalizzazione plasmonica della luce bianca per una nanoanalisi spettrale completa. (A) Schema della nanofocalizzazione plasmonica per la luce bianca e la nanoanalisi spettrale del bandgap. (B) Schema della struttura metallica rastremata utilizzata per la simulazione. (C) Sovrapposizione di onde con vettori d'onda differenti. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aba4179
Le sorgenti di nanoluce basate su eccitoni risonanti di plasmoni vicino a una nanostruttura metallica tagliente hanno suscitato grande interesse nella nanoimaging ottico. Però, il fenomeno risonante funziona solo per un tipo di lunghezza d'onda che risuona con i plasmoni. Rispetto alla risonanza plasmonica, il metodo alternativo di nanofocalizzazione dei plasmoni può generare una sorgente di nanoluce propagando e comprimendo i plasmoni su una nanostruttura metallica affusolata, indipendente dalla lunghezza d'onda, a causa della sua dipendenza dalla propagazione. In un nuovo rapporto su Progressi scientifici , Takayuki Umakoshi e un team di ricerca in fisica applicata e chimica in Giappone hanno generato una sorgente di nanoluce bianca che copre l'intera gamma di luce visibile attraverso la nanofocalizzazione plasmonica. Utilizzando il processo, hanno dimostrato la nanoimaging spettrale del bandgap di nanotubi di carbonio (CNT). La dimostrazione sperimentale della sorgente di nanoluce bianca consentirà a diversi campi di ricerca di progredire verso la prossima generazione, tecnologie nanofotoniche.
La coesistenza di più lunghezze d'onda della luce in un volume nanometrico confinato può costituire un interessante effetto ottico. L'esclusiva nanoluce è quindi una piattaforma promettente per diversi campi di ricerca offrendo opportunità per sondare un campione attraverso una gamma di lunghezze d'onda, o indurre interazioni luce-luce tra diverse lunghezze d'onda su scala nanometrica. Le antenne ottiche hanno svolto un ruolo importante negli ultimi decenni per confinare la luce su scala nanometrica attraverso risonanze plasmoniche localizzate in nanostrutture metalliche, portando a una ricerca senza precedenti nel campo della nanoluce, compreso il miglioramento del campo luminoso. Poiché la risonanza plasmonica è un fenomeno risonante, non può facilitare la generazione di nanoluce a banda larga, perciò, di conseguenza, la nanofocalizzazione plasmonica ha ottenuto una maggiore attenzione come alternativa per generare sorgenti di nanoluce. Durante il processo, una sorgente di luce su nanoscala può essere ingegnerizzata propagando e superfocalizzando i polaritoni plasmonici di superficie (SPP) all'apice di un metallo, sovrastruttura rastremata. Il lavoro ha portato a un enorme miglioramento del campo luminoso su scala nanometrica, all'apice e ha portato a un'illuminazione priva di sfondo. Gli scienziati hanno esplorato la proprietà della banda larga risultante per il missaggio a quattro onde con un'elevata efficienza di conversione non lineare. La sorgente luminosa a banda larga con nanofocalizzazione plasmonica è uno strumento potente in diversi campi di ricerca.
Proprietà a banda larga della nanofocalizzazione plasmonica valutata mediante simulazioni FDTD. (A) Mappe di distribuzione del campo elettrico in prossimità dell'apice della struttura conica d'argento prodotta dalle simulazioni FDTD. Barre della scala, 100 nanometri. La fessura dell'accoppiatore plasmonico, dove la luce bianca era illuminata, non è mostrato, come è fuori dalla cornice. (B) Spettro di campo vicino simulato rilevato 6 nm sotto l'apice. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aba4179
In questo lavoro, Umakoshi et al. ha introdotto una sorgente di nanoluce bianca che copre l'intera gamma di lunghezze d'onda visibili, generata tramite la nanofocalizzazione plasmonica. Hanno mostrato l'imaging ottico del bandgap di energia a banda larga di nanotubi di carbonio utilizzando la sorgente di nanoluce bianca. Sebbene la nanofocalizzazione plasmonica possa essere eccitata in un ampio intervallo di lunghezze d'onda, i ricercatori lo hanno utilizzato solo nella gamma del vicino infrarosso a causa delle limitazioni dei materiali che costituiscono la struttura rastremata. Avevano usato l'oro come materiale per formare strutture coniche affusolate e minori perdite ohmiche, ma tali esperimenti rimasero nel campo del vicino infrarosso e non nel campo del visibile o dell'ultravioletto. Umakoshi et al. aveva anche recentemente sviluppato un metodo di fabbricazione efficiente per formare strutture metalliche rastremate basate sull'evaporazione termica, dove il costrutto includeva un cantilever in silicio disponibile in commercio con una punta piramidale. Usando una superficie della piramide come base, hanno ottenuto una conicità metallica bidimensionale e creato un rivestimento metallico estremamente liscio applicabile a una gamma di tipi di metallo, compreso l'argento. Usando il cono d'argento, il team ha ottenuto una nanofocalizzazione plasmonica altamente efficiente con una riproducibilità del 100% a 642 nm e ha condotto una nanofocalizzazione plasmonica bianca su un'ampia gamma di lunghezze d'onda visibili.
Realizzazione di una struttura rastremata in argento su punta a sbalzo. (A) Schema del processo di fabbricazione della struttura conica d'argento su una punta a sbalzo. (B) Immagine al microscopio elettronico a scansione della struttura d'argento affusolata fabbricata sulla punta a sbalzo. L'inserto mostra una vista laterale dello strato d'argento. Barre della scala, 2 μm (inserto, 200nm). Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aba4179
Progettazione e ingegnerizzazione di una struttura metallica rastremata per la nanofocalizzazione plasmonica a banda larga
Umakoshi et al. ha sviluppato una struttura metallica affusolata per mantenere una sorgente di nanoluce bianca a banda larga su una punta piramidale di silicio ossidato con un sottile strato d'argento rivestito su una superficie della piramide. Usando una singola fenditura di 200 nanometri (nm) in argento hanno accoppiato la luce nel visibile, e calcolato le distribuzioni del campo elettrico in prossimità dell'apice a più lunghezze d'onda di eccitazione utilizzando il metodo del dominio delle differenze finite nel tempo (FDTD). Il team ha osservato forti campi elettrici confinati alla punta dell'apice a lunghezze d'onda di eccitazione che vanno da 460 nm a 1200 nm. Il lavoro ha mostrato come una fenditura larga 200 nm abbia generato una sorgente di nanoluce a banda larga che si estende attraverso l'intera regione visibile per raggiungere anche la regione del vicino infrarosso. Durante il processo di fabbricazione, gli scienziati hanno utilizzato una punta a sbalzo di silicio disponibile in commercio con una forma piramidale. Hanno ossidato il cantilever di silicio e sviluppato un rivestimento d'argento liscio con rugosità superficiale di 1 nm per ridurre la perdita di energia durante la propagazione dell'SPP (surface plasmon polariton).
Osservazione ottica di una sorgente di nanoluce bianca generata tramite nanofocalizzazione plasmonica. (A) Immagine ottica di una struttura d'argento affusolata sotto l'illuminazione di un laser supercontinuo nella sua fessura. Le posizioni dei confini della punta e della fessura sono indicate da linee tratteggiate. L'inserto mostra un'immagine ingrandita dell'apice. La polarizzazione incidente era normale alla fessura come indicato dalla freccia. (B e C) Immagini ottiche della stessa struttura rastremata d'argento con illuminazione laser supercontinuo a diverse polarizzazioni incidenti, come indicato dalle frecce. (D) Grafico polare dell'intensità del punto luminoso all'apice rispetto alla polarizzazione incidente; 0° e 90° corrispondono a polarizzazioni parallele e perpendicolari, rispettivamente. (E) Immagini ottiche della struttura rastremata d'argento illuminata con un laser supercontinuo, osservati attraverso una serie di filtri passa-banda indicati dalle loro lunghezze d'onda centrali. (F) Spettro di dispersione del punto ottico all'apice della struttura rastremata d'argento. a.u., unità arbitrarie. (G) Spettro di campo vicino simulato calcolato all'apice della punta. Barre della scala, 2 micron (A ed E). Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aba4179
Generazione di una sorgente di luce bianca tramite nanofocalizzazione plasmonica e conduzione di immagini spettrali di bandgap
Per comprendere il processo di produzione di luce bianca confinata attraverso la struttura rastremata basata sulla nanofocalizzazione plasmonica, il team ha illuminato la struttura a fessura con un laser supercontinuo coerente che si estendeva su un'ampia gamma di lunghezze d'onda. Quando la polarizzazione incidente era perpendicolare alla fenditura, hanno notato il miglior accoppiamento nella configurazione in accordo con le simulazioni. All'accorciarsi della lunghezza d'onda, l'efficienza di dispersione è aumentata. Perciò, il team ha osservato sperimentalmente una maggiore intensità nella gamma di lunghezze d'onda più brevi.
Hanno usato la sorgente di luce bianca nanofocalizzata al plasmone per eseguire la nanoanalisi spettrale dei CNT (nanotubi di carbonio). La sorgente di nanoluce bianca localizzata sulla punta dell'apice ha interagito con i fasci di CNT contenenti più bande proibite durante l'esperimento. Il segnale di diffusione è aumentato durante l'esperimento per indicare fotoni con la stessa energia che corrispondeva ai bandgap dei CNT. Umakoshi et al. quindi ha combinato l'approccio con la spettroscopia Raman per esaminare la chiralità del campione CNT.
Nanoimaging ottico di CNT utilizzando la sorgente di nanoluce bianca. (A) Un'immagine AFM di fasci CNT. Le strutture osservate sulla parte sinistra e destra dell'immagine sono i CNT metallici (m-CNT) e semiconduttori (s-CNT), rispettivamente, come identificato durante il processo di preparazione del campione. Barra della scala, 100 nanometri. (B) Spettri in campo vicino di s-CNT e m-CNT, ottenuto dalle località indicate dalle croci blu e rossa, rispettivamente, in un). (C) Spettri in campo vicino ottenuti pixel per pixel lungo la linea tratteggiata in (A). (D a F) Immagini Bandgap costruite a 620, 680, e 730nm, rispettivamente. Barre della scala, 100 nanometri. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aba4179
La sorgente di luce bianca focalizzata sul plasmone in questo lavoro è uno stato di luce fondamentale ed efficace per la nanoimaging bandgap. Questo lavoro aprirà la strada a una varietà di possibili applicazioni, compreso il sondaggio di biomolecole per comprendere le loro proprietà di assorbimento a risoluzione spaziale su scala nanometrica. Una sorgente di nanoluce a banda larga nel medio infrarosso sarà anche produttiva nella scienza dei materiali e nella biologia molecolare. Questa tecnica può anche aumentare la capacità analitica della spettroscopia Raman con superficie potenziata per studiare le vibrazioni molecolari.
In questo modo, Takayuki Umakoshi e colleghi hanno generato una sorgente di nanoluce bianca all'apice di una struttura affusolata d'argento utilizzando la nanofocalizzazione plasmonica per eseguire la nanoanalisi dei nanotubi di carbonio. Il team ha progettato e ingegnerizzato una struttura affusolata che induceva la nanofocalizzazione plasmonica su un'ampia gamma di lunghezze d'onda. La tecnica del bandgap spettrale avrà un'ampia gamma di applicazioni su scala nanometrica nella scienza dei materiali e nella ricerca biologica. Il lavoro dimostrato è solo un singolo esempio, con diverse applicazioni possibili basate su uno strumento ottico su nanoscala potente e fondamentale con un'eccellente flessibilità di lunghezza d'onda.
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