Forskare från centrum för fotonik och 2-D-material vid Moskvainstitutet för fysik och teknologi (MIPT), universitetet i Oviedo, Donostia International Physics Center, och CIC nanoGUNE har föreslagit ett nytt sätt att studera egenskaperna hos enskilda organiska molekyler och nanoskikt av molekyler. Tillvägagångssättet, beskrivs i Nanofotonik , bygger på V-formade grafen-metallfilmstrukturer.

Oförstörande analys av molekyler via infraröd spektroskopi är avgörande i många situationer inom organisk och oorganisk kemi:för att kontrollera gaskoncentrationer, detektera polymernedbrytning, mäta alkoholhalten i blodet, etc. Emellertid, denna enkla metod är inte tillämplig på små antal molekyler i en nanovolym. I deras senaste studie, forskare från Ryssland och Spanien föreslår ett sätt att ta itu med detta.

En nyckeluppfattning som ligger bakom den nya tekniken är en plasmon. Allmänt definierad, det hänvisar till en elektronoscillation kopplad till en elektromagnetisk våg. Förökar sig tillsammans, de två kan ses som en kvasipartikel.

Studien övervägde plasmoner i en kilformad struktur flera dussin nanometer i storlek. Ena sidan av kilen är ett enatoms tjockt lager av kolatomer, känd som grafen. Den rymmer plasmoner som fortplantar sig längs arket, med oscillerande laddningar i form av Dirac-elektroner eller hål. Den andra sidan av den V-formade strukturen är en guld- eller annan elektriskt ledande metallfilm som löper nästan parallellt med grafenarket. Utrymmet däremellan är fyllt med ett avsmalnande lager av dielektriskt material, till exempel, bornitrid — det vill säga 2 nanometer tjockt när det är som smalast (fig. 1).

En sådan inställning möjliggör plasmonlokalisering, eller fokusera. Detta hänvisar till en process som omvandlar vanliga plasmoner till kortare våglängder, kallas akustisk. När en plasmon fortplantar sig längs grafen, dess fält tvingas in i allt mindre utrymmen i den avsmalnande kilen. Som ett resultat, våglängden blir många gånger mindre och fältamplituden i området mellan metallen och grafenen förstärks. På det sättet, en vanlig plasmon förvandlas gradvis till en akustisk.

"Det var tidigare känt att polaritoner och våglägen genomgår sådan komprimering i avsmalnande vågledare. Vi bestämde oss för att undersöka denna process specifikt för grafen, men fortsatte sedan med att överväga de möjliga tillämpningarna av grafen-metallsystemet i termer av att producera molekylära spektra, " sa pappersmedförfattaren Kirill Voronin från MIPT Laboratory of Nanooptics and Plasmonics.

Teamet testade sin idé på en molekyl känd som CBP, som används i läkemedel och organiska lysdioder. Den kännetecknas av en framträdande absorptionstopp vid en våglängd på 6,9 mikrometer. Studien tittade på svaret från ett lager av molekyler, som placerades i den tunna delen av kilen, mellan metall och grafen. Molekylskiktet var så tunt som 2 nanometer, eller tre storleksordningar mindre än våglängden för de laserextraherande plasmonerna. Att mäta en så låg absorption av molekylerna skulle vara omöjligt med konventionell spektroskopi.

I den uppställning som fysikerna föreslagit, dock, fältet är lokaliserat i ett mycket trångt utrymme, vilket gör det möjligt för teamet att fokusera på provet så väl som att registrera ett svar från flera molekyler eller till och med en enda stor molekyl som DNA.

Det finns olika sätt att excitera plasmoner i grafen. Den mest effektiva tekniken är beroende av ett scattering-typ scanning närfältsmikroskop. Dess nål är placerad nära grafen och bestrålas med en fokuserad ljusstråle. Eftersom nålspetsen är mycket liten, den kan excitera vågor med en mycket stor vågvektor — och en liten våglängd. Plasmoner som exciteras bort från den avsmalnande änden av kilen färdas längs grafen mot molekylerna som ska analyseras. Efter att ha interagerat med molekylerna, plasmonerna reflekteras i den avsmalnande änden av kilen och sprids sedan av samma nål som från början exciterade dem, som alltså fungerar som detektor.

"Vi beräknade reflektionskoefficienten, det är, förhållandet mellan den reflekterade plasmonintensiteten och intensiteten hos den ursprungliga laserstrålningen. Reflektionskoefficienten beror helt klart på frekvensen, och den maximala frekvensen sammanfaller med absorptionstoppen för molekylerna. Det blir uppenbart att absorptionen är mycket svag - ungefär flera procent - när det gäller vanliga grafenplasmoner. När det gäller akustiska plasmoner, reflektionskoefficienten är tiotals procent lägre. Detta innebär att strålningen absorberas starkt i det lilla lagret av molekyler, ", tillägger tidningens medförfattare och MIPT gästprofessor Alexey Nikitin, en forskare vid Donostia International Physics Center, Spanien.

Efter vissa förbättringar av de involverade tekniska processerna, det system som föreslagits av de ryska och spanska forskarna kan användas som grund för att skapa faktiska enheter. Enligt teamet, de skulle främst vara användbara för att undersöka egenskaperna hos dåligt studerade organiska föreningar och för att upptäcka kända sådana.