Wetenschappers van het Centrum voor Fotonica en 2-D Materialen van het Moskouse Instituut voor Natuurkunde en Technologie (MIPT), de Universiteit van Oviedo, Donostia Internationaal Natuurkundig Centrum, en CIC nanoGUNE hebben een nieuwe manier voorgesteld om de eigenschappen van individuele organische moleculen en nanolagen van moleculen te bestuderen. De aanpak, beschreven in Nanofotonica , vertrouwt op V-vormige grafeen-metaalfilmstructuren.

Niet-destructieve analyse van moleculen via infraroodspectroscopie is in veel situaties in de organische en anorganische chemie van vitaal belang:voor het beheersen van gasconcentraties, het detecteren van polymeerdegradatie, het meten van het alcoholgehalte in het bloed, enz. Echter, deze eenvoudige methode is niet toepasbaar op kleine aantallen moleculen in een nanovolume. In hun recente studie, onderzoekers uit Rusland en Spanje stellen een manier voor om dit aan te pakken.

Een sleutelbegrip dat aan de nieuwe techniek ten grondslag ligt, is dat van een plasmon. Uitgebreid beschreven, het verwijst naar een elektronenoscillatie gekoppeld aan een elektromagnetische golf. Samen propageren, de twee kunnen worden gezien als een quasi-deeltje.

De studie beschouwde plasmonen in een wigvormige structuur van enkele tientallen nanometers groot. De ene kant van de wig is een één atoom dikke laag koolstofatomen, bekend als grafeen. Het herbergt plasmonen die zich langs het blad voortplanten, met oscillerende ladingen in de vorm van Dirac-elektronen of gaten. De andere kant van de V-vormige structuur is een gouden of andere elektrisch geleidende metaalfilm die bijna evenwijdig loopt aan de grafeenplaat. De ruimte ertussen is gevuld met een taps toelopende laag diëlektrisch materiaal, bijvoorbeeld boornitride - dat is op zijn smalst 2 nanometer dik (fig. 1).

Een dergelijke opstelling maakt plasmonlokalisatie mogelijk, of focussen. Dit verwijst naar een proces dat reguliere plasmonen omzet in kortere golflengten, akoestisch genoemd. Terwijl een plasmon zich voortplant langs grafeen, zijn veld wordt gedwongen in steeds kleinere ruimtes in de taps toelopende wig. Als resultaat, de golflengte wordt vele malen kleiner en de veldamplitude in het gebied tussen het metaal en grafeen wordt versterkt. Op die manier, een regulier plasmon verandert geleidelijk in een akoestische.

"Het was eerder bekend dat polaritons en golfmodi een dergelijke compressie ondergaan in taps toelopende golfgeleiders. We wilden dit proces specifiek voor grafeen onderzoeken, maar ging toen verder met het overwegen van de mogelijke toepassingen van het grafeen-metaalsysteem in termen van het produceren van moleculaire spectra, " zei mede-auteur Kirill Voronin van het MIPT Laboratory of Nanooptics and Plasmonics.

Het team testte zijn idee op een molecuul dat bekend staat als CBP, die wordt gebruikt in de farmacie en organische lichtemitterende diodes. Het wordt gekenmerkt door een prominente absorptiepiek bij een golflengte van 6,9 micrometer. De studie keek naar de reactie van een laag moleculen, die in het dunne deel van de wig was geplaatst, tussen het metaal en grafeen. De moleculaire laag was zo dun als 2 nanometer, of drie orden van grootte kleiner dan de golflengte van de laseropwekkende plasmonen. Het meten van zo'n lage absorptie van de moleculen zou onmogelijk zijn met conventionele spectroscopie.

In de opstelling voorgesteld door de natuurkundigen, echter, het veld is gelokaliseerd in een veel krappere ruimte, waardoor het team zich zo goed op het monster kan concentreren dat het een reactie van meerdere moleculen of zelfs een enkel groot molecuul zoals DNA kan registreren.

Er zijn verschillende manieren om plasmonen in grafeen op te wekken. De meest efficiënte techniek is gebaseerd op een scanning near-field microscoop van het verstrooiingstype. De naald bevindt zich dicht bij grafeen en wordt bestraald met een gerichte lichtstraal. Omdat de naaldpunt erg klein is, het kan golven opwekken met een zeer grote golfvector en een kleine golflengte. Plasmonen die van het taps toelopende uiteinde van de wig worden geëxciteerd, reizen langs grafeen naar de moleculen die moeten worden geanalyseerd. Na interactie met de moleculen, de plasmonen worden gereflecteerd aan het taps toelopende uiteinde van de wig en vervolgens verstrooid door dezelfde naald die ze aanvankelijk heeft geëxciteerd, die dus ook dienst doet als detector.

"We hebben de reflectiecoëfficiënt berekend, dat is, de verhouding van de gereflecteerde plasmonintensiteit tot de intensiteit van de oorspronkelijke laserstraling. De reflectiecoëfficiënt is duidelijk afhankelijk van de frequentie, en de maximale frequentie valt samen met de absorptiepiek van de moleculen. Het wordt duidelijk dat de absorptie erg zwak is - ongeveer enkele procenten - in het geval van gewone grafeenplasmonen. Als het gaat om akoestische plasmonen, de reflectiecoëfficiënt is tientallen procenten lager. Dit betekent dat de straling sterk wordt geabsorbeerd in het kleine laagje moleculen, " voegt de co-auteur van de paper en MIPT-bezoekprofessor Alexey Nikitin toe, een onderzoeker bij Donostia International Physics Center, Spanje.

Na bepaalde verbeteringen aan de betrokken technologische processen, het door de Russische en Spaanse onderzoekers voorgestelde schema kan worden gebruikt als basis voor het maken van echte apparaten. Volgens de ploeg ze zouden vooral nuttig zijn voor het onderzoeken van de eigenschappen van slecht bestudeerde organische verbindingen en voor het detecteren van bekende.