Nanospectroscopie infrarouge avec une source thermique. La pointe est éclairée par le rayonnement infrarouge à large bande d'une source thermique et la lumière rétrodiffusée est analysée avec un spectromètre de Fourier, produisant des spectres infrarouges locaux avec une résolution spatiale meilleure que 100 nm. Le graphique affiché montre les spectres infrarouges d'oxydes traités différemment dans un dispositif industriel à semi-conducteurs. Crédit :Copyright F. Huth, CIC nanoGUNE.
Des chercheurs du centre basque de recherche en nanosciences CIC nanoGUNE et Neaspec GmbH (Allemagne) ont développé un instrument qui permet d'enregistrer des spectres infrarouges avec une source thermique à une résolution 100 fois meilleure qu'en spectroscopie infrarouge classique. Dans le futur, la technique pourrait être appliquée pour analyser la composition chimique locale et la structure de matériaux nanométriques dans des composites polymères, dispositifs semi-conducteurs, minéraux ou tissus biologiques. L'ouvrage est publié dans Matériaux naturels .
L'absorption du rayonnement infrarouge est caractéristique de la composition chimique et de la structure des matériaux. Pour cette raison, un spectre infrarouge peut être considéré comme "l'empreinte digitale" d'un matériau. La spectroscopie infrarouge est ainsi devenue un outil important pour caractériser et identifier les matériaux et est largement appliquée dans différentes sciences et technologies, notamment les sciences des matériaux et le diagnostic biomédical. Cependant, avec des instruments optiques conventionnels, tels que les spectromètres infrarouges FTIR (Fourier Transform Infrared), la lumière ne peut pas être focalisée sur des tailles de spot inférieures à plusieurs micromètres. Cette limitation fondamentale empêche la cartographie infrarouge-spectroscopique de nanoparticules uniques, molécules ou dispositifs semi-conducteurs modernes.
Les chercheurs de nanoGUNE et de Neaspec ont maintenant développé un spectromètre infrarouge qui permet une imagerie à l'échelle nanométrique avec un rayonnement thermique. La configuration - en bref nano-FTIR (voir la figure) - est basée sur un microscope à champ proche de type à diffusion (NeaSNOM) qui utilise une pointe métallique pointue pour balayer la topographie d'une surface d'échantillon. Tout en scannant la surface, la pointe est éclairée par la lumière infrarouge d'une source thermique. Agissant comme une antenne, la pointe convertit la lumière incidente en un spot infrarouge à l'échelle nanométrique (nanofocus) au sommet de la pointe. En analysant la lumière infrarouge diffusée avec un spectromètre FTIR spécialement conçu, les chercheurs ont pu enregistrer des spectres infrarouges à partir de volumes d'échantillons ultra-petits.
Dans leurs expériences, les chercheurs ont réussi à enregistrer des images infrarouges d'un dispositif semi-conducteur d'Infineon Technologies AG (Munich). "Nous avons atteint une résolution spatiale meilleure que 100 nm. Cela montre directement que le rayonnement thermique peut être focalisé sur une taille de spot cent fois plus petite qu'en spectroscopie infrarouge conventionnelle", dit Florian Huth, qui a réalisé les expériences. Le chercheur a démontré que le nano-FTIR peut être appliqué pour reconnaître des oxydes de silicium traités différemment ou pour mesurer la densité électronique locale dans des dispositifs électroniques industriels complexes. "Notre technique permet d'enregistrer des spectres dans le domaine spectral du proche à l'infrarouge lointain. C'est une caractéristique essentielle pour analyser la composition chimique de nanomatériaux inconnus", explique Rainer Hillenbrand, leader du groupe Nanooptics à nanoGUNE.
Le nano-FTIR a un potentiel d'application intéressant dans des sciences et technologies très différentes, allant de l'industrie des semi-conducteurs à la nanogéochimie et à l'astrophysique. "Basé sur la spectroscopie vibrationnelle des empreintes digitales, il pourrait être appliqué à la cartographie à l'échelle nanométrique de la composition chimique et des propriétés structurelles des nano-systèmes organiques et inorganiques, y compris les semi-conducteurs organiques, cellules solaires, nanofils, céramiques et minéraux", ajoute Florian Huth.
