Plasmoniska metamaterial är konstgjorda ämnen vars struktur kan manipuleras för att påverka hur de interagerar med ljus. Som sådan, metamaterial erbjuder en attraktiv plattform för avkänning av applikationer, inklusive infraröd (IR) absorptionsspektroskopi – en teknik som används för att avslöja detaljer om ämnens kemiska sammansättning och struktur.

Nu, Atsushi Ishikawa vid Okayama University och kollegor har tillverkat en ny plasmonisk metamaterialabsorbator som består av guld och magnesiumfluor som kan IR-detektion med hög känslighet. Metamaterialet kan visa sig vara ovärderligt i utvecklingen av nästa generations IR-inspektionstekniker.

Forskarna designade noggrant sin absorber för att maximera IR-signalen och minimera bakgrundsbrus. Metamaterialet består av 50 nm guldband på en tjock guldfilm, åtskilda av ett lager magnesiumfluor (se bild).

Våglängden för IR är längre och har mindre energi än synligt ljus, vilket betyder att det inte är tillräckligt starkt för att excitera elektroner, till skillnad från andra typer av spektroskopi. IR-absorptionsspektroskopi utnyttjar därför förmågan hos IR att inducera vibrationer i bundna atomer. Organiska föreningar kommer att absorbera IR-strålning motsvarande de olika typerna av molekylära vibrationer som finns; de resulterande absorptionsspektra berättar forskarna om föreningarnas unika kemiska struktur.

För att testa kapaciteten hos det nya metamaterialet, teamet bestämde sig för att identifiera de sträckande vibrationssätten för kol-vätebindningar i 16-merkaptohexadekansyra (16-MHDA). De doppade absorbatorn i 16-MHDA etanollösning för att uppmuntra ett självmonterande monolager av syramolekylerna att utvecklas. Under IR-strålning vid olika infallsvinklar, metamaterial-monolager-spektralutgången visade distinkta toppar motsvarande kol-väte-sträckning, med de mest uttalade topparna under IR i en vinkel på 40°.

Den nya metamaterialmetoden gav mycket detaljerade mätningar avseende små molekylära detaljer (på attamolnivå) i 16-MHDA-monoskiktet. Forskarna hoppas att deras nya teknik kommer att öppna dörrar till utvecklingen av ultrakänslig IR-inspektionsteknik för materialvetenskap och säkerhetstillämpningar.

Metamaterial

Förmågan att manipulera ljusabsorptionen av material kan revolutionera många tekniker, såsom solceller och värmeapparater. Forskning om design och utveckling av plasmoniska metamaterial är fortfarande relativt ny. Dessa material är syntetiska, och forskare kan designa sina ytstrukturer för att utnyttja beteendet hos ytplasmoner – kvasipartiklar som finns på metallytor och interagerar med ljus – för att uppnå inställbara optiska egenskaper.

Infraröd absorptionsspektroskopi skulle kunna förbättras dramatiskt genom introduktionen av inställbara metamaterialbaserade absorbatorer utformade för att möjliggöra högupplöst detektering av små molekylära detaljer.

Metodik

Metamaterialabsorbatorn som byggdes av teamet bestod av guld nano-band (som mäter 50 nm tjocka) på en guldfilmbas, med ett tunt lager av magnesiumfluor som skiljer de två guldskikten åt. När molekylära monolager sätts samman på ädelmetallytor, de antog att det guldbaserade metamaterialet skulle visa sig vara en stark kandidat för att möjliggöra högupplöst mätning av IR-inducerade vibrationslägen i självmonterande monolager.

Deras tillvägagångssätt involverade att täcka deras metamaterialabsorberare med ett ultratunt självmonterande monolager av 16-MDHA-syramolekyler. De täckte också ett blott guldfilmprov med samma monolager för jämförelse.

Forskarna utsatte de två monoskikten för IR-strålning i olika infallsvinklar. Monoskiktet på rent guld uppvisade ett lågt signalbrusförhållande, och det var mycket svårt att se absorptionsdipparna på den spektrala uteffekten motsvarande den IR-inducerade kol-väte-sträckningen i monoskiktet.

I kontrast, absorptionsdipparna var mycket väl uttalade i spektralavläsningen för metamaterial-monoskiktet, eftersom vibrationssätten för 16-MHDA-molekylerna resonerade med metamaterialets plasmoniska lägen. Denna så kallade "resonanskoppling" producerade distinkta toppar motsvarande IR-inducerad kol-väte-sträckning i 16-MHDA-molekylstrukturen. Resonanskopplingen var beroende av vinkeln på det infallande ljuset, med det tydligaste, starkaste signalen i en vinkel på 40°.

Forskarna tror att deras absorber kan öppna dörrar till nya ultrakänsliga IR-detektionsteknologier. Ytterligare, deras teknik skulle kunna utnyttjas på andra sätt – genom att optimera ytstrukturen hos andra metamaterial, de skulle kunna förbättra resonanskopplingen ytterligare och möjliggöra känsligheter ner till zeptomolnivån.