Schematisk bild som visar tekniken för fototermisk inducerad resonans (PTIR), som kombinerar den laterala upplösningen av atomkraftsmikroskopi (AFM) med den kemiska specificiteten hos IR-spektroskopi. En våglängdsjusterbar, pulsad IR-laser (lila) lyser upp ett prov som består av plasmoniska guldresonatorer från nedan. Den resulterande termiska expansionen av provet detekteras lokalt av AFM fribärande spets, som övervakas genom att reflektera en laser (blå) från baksidan av konsolen.
Forskare från NIST Center for Nanoscale Science and Technology (CNST) och University of Maryland har för första gången använt fototermisk inducerad resonans (PTIR) för att karakterisera individuella plasmoniska nanomaterial för att få absorptionskartor och spektra med upplösning i nanometerskala. Nanostrukturering av plasmoniska material möjliggör konstruktion av deras resonansoptiska respons och skapar nya möjligheter för applikationer som drar nytta av förbättrade ljus-materia-interaktioner, inklusive avkänning, solceller, fotokatalys, och terapi.
Framsteg inom nanoteknik möjliggörs ofta av tillgången på mätmetoder för att karakterisera material på lämpligt små längdskalor. Genom att mäta infraröd absorption på nanoskala, PTIR tillhandahåller information som annars inte är tillgänglig för att karakterisera och konstruera plasmoniska material. PTIR mäter ljusabsorptionen i ett material med hjälp av en våglängdsjusterbar laser och en skarp spets i kontakt med provet som en lokal detektor. Till skillnad från många andra metoder som använder nanoskala tips för att sondera material, i PTIR är spetsen passiv och stör inte mätningen. Följaktligen, ljusabsorptionen i provet kan mätas direkt utan att det krävs vare sig en modell av spetsen eller förkunskaper om provet.
Forskarna samlade in absorptionsinformation i nanoskala på två sätt:för det första, genom att kartlägga infraröd absorption under avsökning av en spets på ett prov under konstant våglängdsbelysning; och för det andra, genom att mäta platsspecifika absorptionsspektra samtidigt som en laser sveper över en rad infraröda våglängder. Genom att använda avstämbara lasrar som ger CNST-användare möjlighet att variera våglängderna från 1,55 µm till 16,00 µm, forskarna förvärvade infrarödabsorptionsspektra i nanoskala för guldresonatorer, den första sådana mätningen av något plasmoniskt nanomaterial. Även om absorptionsbilder tillåter omedelbar visualisering och kan mätas med andra tekniker, PTIR-spektra ger nödvändig information för att tolka bilderna och vägleda experiment.
Plasmoniska material som guld, som har stor värmeledningsförmåga och relativt små värmeutvidgningskoefficienter, ansågs tidigare vara utmanande att mäta med PTIR eftersom tekniken bygger på provets termiska expansion för att mäta ljusabsorption. Enligt Andrea Centrone, en projektledare i energiforskningsgruppen, "Vi visade att PTIR-karakterisering inte bara är tillämplig på isolatorer och halvledare, som visats tidigare, men att metaller också är mottagliga för det. Detta är ett viktigt steg framåt för att tillämpa PTIR-tekniken på ett bredare utbud av funktionella enheter."
