Onderzoekers van het Baskische nanowetenschappelijk onderzoekscentrum CIC nanoGUNE en Neaspec GmbH (Duitsland) hebben een instrument ontwikkeld waarmee infraroodspectra kunnen worden opgenomen met een thermische bron met een resolutie die 100 keer beter is dan bij conventionele infraroodspectroscopie. In de toekomst, de techniek kan worden toegepast voor het analyseren van de lokale chemische samenstelling en structuur van materialen op nanoschaal in polymeercomposieten, halfgeleider apparaten, mineralen of biologisch weefsel. Het werk is gepubliceerd in Natuurmaterialen .

Kenmerkend voor de chemische samenstelling en structuur van materialen is de absorptie van infraroodstraling. Om deze reden, een infrarood spectrum kan worden beschouwd als de "vingerafdruk" van een materiaal. Infraroodspectroscopie is dus een belangrijk hulpmiddel geworden voor het karakteriseren en identificeren van materialen en wordt op grote schaal toegepast in verschillende wetenschappen en technologieën, waaronder materiaalwetenschappen en biomedische diagnostiek. Echter, met conventionele optische instrumenten, zoals FTIR (Fourier Transform Infrared) infraroodspectrometers, het licht kan niet worden gefocusseerd op spotgroottes onder enkele micrometers. Deze fundamentele beperking verhindert infrarood-spectroscopische mapping van enkele nanodeeltjes, moleculen of moderne halfgeleiderapparaten.

Onderzoekers van nanoGUNE en Neaspec hebben nu een infraroodspectrometer ontwikkeld die beeldvorming op nanoschaal met thermische straling mogelijk maakt. De opstelling - in het kort nano-FTIR (zie afbeelding) - is gebaseerd op een verstrooiingstype near-field microscoop (NeaSNOM) die een scherpe metalen punt gebruikt om de topografie van een monsteroppervlak te scannen. Tijdens het scannen van het oppervlak, de punt wordt verlicht met het infraroodlicht van een thermische bron. Gedraagt ​​zich als een antenne, de tip zet het invallende licht om in een infraroodspot op nanoschaal (nanofocus) aan de top van de tip. Door het verstrooide infraroodlicht te analyseren met een speciaal ontworpen FTIR-spectrometer, de onderzoekers waren in staat om infraroodspectra op te nemen van ultrakleine monstervolumes.

In hun experimenten, de onderzoekers slaagden erin om infraroodbeelden op te nemen van een halfgeleiderapparaat van Infineon Technologies AG (München). "We hebben een ruimtelijke resolutie bereikt die beter is dan 100 nm. Dit toont direct aan dat thermische straling kan worden gefocust tot een spotgrootte die honderd keer kleiner is dan bij conventionele infraroodspectroscopie", zegt Florian Huth, wie de experimenten heeft uitgevoerd. De onderzoeker toonde aan dat nano-FTIR kan worden toegepast voor het herkennen van verschillend bewerkte siliciumoxiden of voor het meten van de lokale elektronendichtheid binnen complexe industriële elektronische apparaten. "Onze techniek maakt het mogelijk om spectra op te nemen in het nabij- tot ver-infrarode spectrale bereik. Dit is een essentieel kenmerk voor het analyseren van de chemische samenstelling van onbekende nanomaterialen", legt Rainer Hillenbrand uit, leider van de Nanooptics-groep bij nanoGUNE.

Nano-FTIR heeft een interessant toepassingspotentieel in zeer verschillende wetenschappen en technologieën, variërend van de halfgeleiderindustrie tot nanogeochemie en astrofysica. "Gebaseerd op vibrationele vingerafdrukspectroscopie, het zou kunnen worden toegepast voor het in kaart brengen op nanoschaal van de chemische samenstelling en structurele eigenschappen van organische en anorganische nanosystemen, inclusief organische halfgeleiders, zonnepanelen, nanodraden, keramiek en mineralen", voegt Florian Huth toe.