Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de University of Maryland hebben laten zien hoe kritische eigenschappen van plasmonische nanomaterialen op nanoschaal kunnen worden gemeten - de speciaal ontworpen nanostructuren die de interactie van licht en materie wijzigen voor een verscheidenheid aan toepassingen, inclusief sensoren, verhullen (onzichtbaarheid), fotovoltaïsche en therapeutische toepassingen.

Hun techniek is een van de weinige waarmee onderzoekers daadwerkelijk fysieke metingen van deze materialen op nanoschaal kunnen doen zonder de functie van het nanomateriaal te beïnvloeden.

Plasmonische nanomaterialen bevatten speciaal ontworpen geleidende structuren op nanoschaal die de interactie tussen licht en een aangrenzend materiaal kunnen verbeteren, en de vorm en grootte van dergelijke nanostructuren kunnen worden aangepast om deze interacties af te stemmen. Theoretische berekeningen worden vaak gebruikt om de optische eigenschappen van plasmonische nanomaterialen te begrijpen en te voorspellen, maar er zijn maar weinig experimentele technieken beschikbaar om ze in detail te bestuderen. Onderzoekers moeten in staat zijn om de optische eigenschappen van individuele structuren te meten en hoe elk rechtstreeks in wisselwerking staat met omringende materialen op een manier die geen invloed heeft op hoe de structuur functioneert.

"We willen de gevoeligheid van deze resonatorarrays maximaliseren en hun eigenschappen bestuderen, ", zegt hoofdonderzoeker Andrea Centrone. "Om dat te doen, we hadden een experimentele techniek nodig die we konden gebruiken om de theorie te verifiëren en om de invloed te begrijpen van nanofabricagedefecten die typisch in echte monsters worden aangetroffen. Onze techniek heeft het voordeel ruimtelijk en chemisch extreem gevoelig te zijn, en de resultaten zijn eenvoudig te interpreteren."

Het onderzoeksteam wendde zich tot fotothermische geïnduceerde resonantie (PTIR), een opkomende chemisch specifieke materiaalanalysetechniek, en toonde aan dat het kan worden gebruikt om de respons van plasmonische nanomaterialen die worden geëxciteerd door infrarood (IR) licht af te beelden met een resolutie op nanometerschaal.

Het team gebruikte PTIR om de geabsorbeerde energie in ringvormige plasmonische resonatoren in beeld te brengen. De resonatoren op nanoschaal concentreren het binnenkomende IR-licht in de openingen van de ringen om "hot spots" te creëren waar de lichtabsorptie wordt verbeterd, wat zorgt voor een gevoeligere chemische identificatie. Voor de eerste keer, de onderzoekers kwantificeerden nauwkeurig de absorptie in de hotspots en toonden aan dat voor de onderzochte monsters, het is ongeveer 30 keer groter dan gebieden verwijderd van de resonatoren.

De onderzoekers toonden ook aan dat plasmonische materialen kunnen worden gebruikt om de gevoeligheid van IR- en PTIR-spectroscopie voor chemische analyse te verhogen door de lokale lichtintensiteit te verbeteren, en daarbij, het spectroscopische signaal.

Hun werk demonstreerde verder de veelzijdigheid van PTIR als een meetinstrument dat gelijktijdige meting van de vorm van een nanomateriaal mogelijk maakt, maat, en chemische samenstelling - de drie kenmerken die de eigenschappen van een nanomateriaal bepalen. In tegenstelling tot veel andere methoden voor het onderzoeken van materialen op nanoschaal, PTIR interfereert niet met het onderzochte materiaal; het vereist geen voorkennis van de onderzoeker over de optische eigenschappen of geometrie van het materiaal; en het geeft gegevens terug die gemakkelijker te interpreteren zijn dan andere technieken waarbij de respons van het monster moet worden gescheiden van de respons van de sonde.