Forskare från National Institute of Standards and Technology (NIST) och University of Maryland har visat hur man gör mätningar i nanoskala av kritiska egenskaper hos plasmoniska nanomaterial - de specialkonstruerade nanostrukturerna som modifierar interaktionen mellan ljus och materia för en mängd olika tillämpningar, inklusive sensorer, cloaking (osynlighet), solceller och terapi.

Deras teknik är en av få som gör att forskare kan göra faktiska fysiska mätningar av dessa material i nanoskala utan att påverka nanomaterialets funktion.

Plasmoniska nanomaterial innehåller speciellt konstruerade ledande nanoskalastrukturer som kan förbättra interaktionen mellan ljus och ett närliggande material, och formen och storleken på sådana nanostrukturer kan justeras för att justera dessa interaktioner. Teoretiska beräkningar används ofta för att förstå och förutsäga de optiska egenskaperna hos plasmoniska nanomaterial, men få experimentella tekniker finns tillgängliga för att studera dem i detalj. Forskare måste kunna mäta de optiska egenskaperna hos enskilda strukturer och hur var och en interagerar med omgivande material direkt på ett sätt som inte påverkar hur strukturen fungerar.

"Vi vill maximera känsligheten hos dessa resonatorsystem och studera deras egenskaper, " säger chefsforskaren Andrea Centrone. "För att göra det, vi behövde en experimentell teknik som vi kunde använda för att verifiera teori och för att förstå inverkan av nanotillverkningsdefekter som vanligtvis finns i verkliga prover. Vår teknik har fördelen att vara extremt känslig både rumsligt och kemiskt, och resultaten är enkla att tolka."

Forskargruppen vände sig till fototermisk inducerad resonans (PTIR), en framväxande kemiskt specifik materialanalysteknik, och visade att den kan användas för att avbilda svaret från plasmoniska nanomaterial exciterade av infrarött (IR) ljus med nanometerskala upplösning.

Teamet använde PTIR för att avbilda den absorberade energin i ringformade plasmoniska resonatorer. Resonatorerna i nanoskala fokuserar det inkommande IR-ljuset inom ringarnas mellanrum för att skapa "hot spots" där ljusabsorptionen förbättras, vilket ger en känsligare kemisk identifiering. För första gången, forskarna kvantifierade exakt absorptionen i hot spots och visade att för proverna som undersöktes, den är ungefär 30 gånger större än områden borta från resonatorerna.

Forskarna visade också att plasmoniska material kan användas för att öka känsligheten för IR- och PTIR-spektroskopi för kemisk analys genom att förbättra den lokala ljusintensiteten, och därför, den spektroskopiska signalen.

Deras arbete visade ytterligare mångsidigheten hos PTIR som ett mätverktyg som möjliggör samtidig mätning av ett nanomaterials form, storlek, och kemisk sammansättning – de tre egenskaperna som bestämmer ett nanomaterials egenskaper. Till skillnad från många andra metoder för att sondera material på nanoskala, PTIR stör inte materialet som undersöks; det kräver inte att forskaren har förkunskaper om materialets optiska egenskaper eller geometri; och den returnerar data som är lättare att tolka än andra tekniker som kräver att provets svar separeras från sondens svar.