Forskare från det baskiska forskningscentret för nanovetenskap CIC nanoGUNE och Neaspec GmbH (Tyskland) har utvecklat ett instrument som gör det möjligt att registrera infraröda spektra med en termisk källa med en upplösning som är 100 gånger bättre än vid konventionell infraröd spektroskopi. I framtiden, Tekniken kan användas för att analysera den lokala kemiska sammansättningen och strukturen av nanoskala material i polymerkompositer, halvledarenheter, mineraler eller biologisk vävnad. Verket publiceras i Naturmaterial .

Absorptionen av infraröd strålning är karakteristisk för materialens kemiska sammansättning och struktur. Av denna anledning, ett infrarött spektrum kan betraktas som ett materials "fingeravtryck". Infraröd spektroskopi har därför blivit ett viktigt verktyg för att karakterisera och identifiera material och används i stor utsträckning inom olika vetenskaper och teknologier inklusive materialvetenskap och biomedicinsk diagnostik. Dock, med konventionella optiska instrument, såsom FTIR (Fourier Transform Infrared) infraröda spektrometrar, ljuset kan inte fokuseras till fläckstorlekar under flera mikrometer. Denna grundläggande begränsning förhindrar infraröd-spektroskopisk kartläggning av enskilda nanopartiklar, molekyler eller moderna halvledarenheter.

Forskare vid nanoGUNE och Neaspec har nu utvecklat en infraröd spektrometer som möjliggör nanoskala avbildning med termisk strålning. Inställningen – i korthet nano-FTIR (se figur) – är baserad på ett närfältsmikroskop av spridningstyp (NeaSNOM) som använder en vass metallspets för att skanna topografin av en provyta. När du skannar ytan, spetsen är upplyst med infrarött ljus från en termisk källa. Fungerar som en antenn, spetsen omvandlar det infallande ljuset till en infraröd fläck i nanoskala (nanofokus) vid spetsens spets. Genom att analysera det spridda infraröda ljuset med en specialdesignad FTIR-spektrometer, forskarna kunde spela in infraröda spektra från ultrasmå provvolymer.

I sina experiment, forskarna lyckades spela in infraröda bilder av en halvledarenhet från Infineon Technologies AG (München). "Vi uppnådde en rumslig upplösning bättre än 100 nm. Detta visar direkt att termisk strålning kan fokuseras till en punktstorlek som är hundra gånger mindre än i konventionell infraröd spektroskopi", säger FlorianHuth, som utförde experimenten. Forskaren visade att nano-FTIR kan användas för att känna igen olika bearbetade kiseloxider eller för att mäta den lokala elektrondensiteten i komplexa industriella elektroniska enheter. "Vår teknik gör det möjligt att registrera spektra i det nära till långt infraröda spektralområdet. Detta är en viktig egenskap för att analysera den kemiska sammansättningen av okända nanomaterial", förklarar Rainer Hillenbrand, ledare för nanooptikgruppen på nanoGUNE.

Nano-FTIR har intressant tillämpningspotential inom vitt skilda vetenskaper och teknologier, allt från halvledarindustri till nanogeokemi och astrofysik. "Baserat på vibrationsfingeravtrycksspektroskopi, det skulle kunna användas för kartläggning i nanoskala av kemisk sammansättning och strukturella egenskaper hos organiska och oorganiska nanosystem, inklusive organiska halvledare, solceller, nanotrådar, keramik och mineraler", tillägger FlorianHuth.