Plasmonische metamaterialen zijn door de mens gemaakte stoffen waarvan de structuur kan worden gemanipuleerd om de manier waarop ze met licht omgaan te beïnvloeden. Als zodanig, metamaterialen bieden een aantrekkelijk platform voor detectietoepassingen, inclusief infrarood (IR) absorptiespectroscopie – een techniek die wordt gebruikt om details van de chemische samenstelling en structuur van stoffen te ontdekken.

Nutsvoorzieningen, Atsushi Ishikawa van de Okayama University en collega's hebben een nieuwe plasmonische metamateriaalabsorbeerder gefabriceerd die bestaat uit goud en magnesiumfluor die in staat is tot zeer gevoelige IR-detectie. Het metamateriaal zou van onschatbare waarde kunnen zijn bij de ontwikkeling van IR-inspectietechnologieën van de volgende generatie.

De onderzoekers hebben hun absorber zorgvuldig ontworpen om het IR-signaal te maximaliseren en achtergrondruis te minimaliseren. Het metamateriaal bestaat uit 50 nm gouden linten op een dikke goudfilm, gescheiden door een laag magnesiumfluor (zie afbeelding).

De golflengte van IR is langer en heeft minder energie dan zichtbaar licht, wat betekent dat het niet sterk genoeg is om elektronen op te wekken, in tegenstelling tot andere soorten spectroscopie. IR-absorptiespectroscopie maakt daarom gebruik van het vermogen van IR om trillingen in gebonden atomen te induceren. Organische verbindingen zullen IR-straling absorberen die overeenkomt met de verschillende soorten moleculaire trillingen die aanwezig zijn; de resulterende absorptiespectra vertellen wetenschappers over de unieke chemische structuur van de verbindingen.

Om de mogelijkheden van het nieuwe metamateriaal te testen, het team besloot om de uitrekkende vibratiemodi van koolstof-waterstofbindingen in 16-Mercaptohexadecaan (16-MHDA) zuur te identificeren. Ze doopten de absorber in 16-MHDA-ethanoloplossing om de ontwikkeling van een zelfassemblerende monolaag van de zuurmoleculen te stimuleren. Onder IR-straling bij verschillende invalshoeken, de spectrale output van metamateriaal-monolaag vertoonde duidelijke pieken die overeenkomen met het uitrekken van koolstof en waterstof, met de meest uitgesproken pieken onder IR onder een hoek van 40°.

De nieuwe metamateriaalbenadering gaf zeer gedetailleerde metingen met betrekking tot kleine moleculaire details (op attamole-niveau) in de 16-MHDA-monolaag. De onderzoekers hopen dat hun nieuwe techniek deuren zal openen voor de ontwikkeling van ultragevoelige IR-inspectietechnologieën voor materiaalwetenschap en beveiligingstoepassingen.

Metamaterialen

Het vermogen om de lichtabsorptie van materialen te manipuleren zou een revolutie teweeg kunnen brengen in vele technologieën, zoals fotovoltaïsche cellen en thermische apparaten. Onderzoek naar het ontwerp en de ontwikkeling van plasmonische metamaterialen is nog relatief nieuw. Deze materialen zijn synthetisch, en wetenschappers kunnen hun oppervlaktestructuren ontwerpen om het gedrag van oppervlakteplasmonen - quasideeltjes die op metalen oppervlakken bestaan ​​en met licht in wisselwerking staan ​​- te exploiteren om afstembare optische eigenschappen te bereiken.

Infraroodabsorptiespectroscopie zou drastisch kunnen worden verbeterd door de introductie van afstembare op metamateriaal gebaseerde absorptiemiddelen die zijn ontworpen om detectie met hoge resolutie van kleine moleculaire details mogelijk te maken.

Methodologie

De metamateriaalabsorber die door het team werd gebouwd, bestond uit gouden nano-linten (met een dikte van 50 nm) op een gouden filmbasis, met een dunne laag magnesiumfluor die de twee goudlagen scheidt. Omdat moleculaire monolagen zichzelf assembleren op edelmetaaloppervlakken, ze veronderstelden dat het op goud gebaseerde metamateriaal een sterke kandidaat zou zijn om de meting met hoge resolutie van IR-geïnduceerde vibratiemodi in zelfassemblerende monolagen mogelijk te maken.

Hun aanpak omvatte het bedekken van hun metamateriaalabsorbeerder met een ultradunne zelfassemblerende monolaag van 16-MDHA-zuurmoleculen. Ze bedekten ook een naakt gouden filmmonster met dezelfde monolaag ter vergelijking.

De onderzoekers onderwierpen de twee monolagen aan IR-straling onder verschillende invalshoeken. De monolaag op kaal goud vertoonde een lage signaal-ruisverhouding, en het was erg moeilijk om de absorptiedips op de spectrale output te zien die overeenkomen met de IR-geïnduceerde koolstof-waterstof-uitrekking in de monolaag.

In tegenstelling tot, de absorptiedips waren zeer goed uitgesproken in de spectrale uitlezing voor de metamateriaal-monolaag, omdat de trillingsmodi van de 16-MHDA-moleculen resoneerden met de plasmonische modi van het metamateriaal. Deze zogenaamde 'resonante koppeling' produceerde duidelijke pieken die overeenkomen met IR-geïnduceerde koolstof-waterstof-uitrekking in de moleculaire structuur van 16-MHDA. De resonantiekoppeling was afhankelijk van de hoek van het invallende licht, met de duidelijkste, sterkste signaal bij een hoek van 40°.

De onderzoekers denken dat hun absorber deuren kan openen naar nieuwe ultragevoelige IR-detectietechnologieën. Verder, hun techniek zou op andere manieren kunnen worden benut - door de oppervlaktestructuur van andere metamaterialen te optimaliseren, ze zouden de resonantiekoppeling nog verder kunnen verbeteren en gevoeligheden tot op het zeptomol-niveau mogelijk maken.