(Phys.org)—En intégrant la technologie nanophotonique à la spectroscopie optique traditionnelle, un nouveau type de spectromètre optique doté de fonctions de détection et de mesure spectrale a récemment été démontré par une équipe de recherche de l'Université de l'Alabama à Huntsville.

Dr Junpeng Guo, Professeur agrégé de génie électrique et optique à UAHuntsville, a récemment créé un nouveau dispositif photonique à l'échelle nanométrique appelé super nano-réseau, avec l'aide de son doctorant, Haisheng Leong. Avec un super nano-réseau fabriqué, Le groupe du Dr Guo a fait la démonstration d'un nouveau type d'appareil de détection optique appelé capteurs spectrométriques.

Les spectromètres optiques traditionnels mesurent les spectres de la lumière. Les capteurs optiques traditionnels utilisent la lumière pour détecter la présence de produits chimiques. Un capteur spectromètre est un spectromètre optique et également un capteur chimique car il mesure le spectre de résonance optique qui est contrôlé par des produits chimiques liés à la surface de la nanostructure. Un capteur spectrométrique avec un réseau métallique super nanofendu a été publié pour la première fois dans Lettres d'optique (vol. 36, 2011) et un capteur spectrométrique avec un réseau métallique de super nanotrous a été publié récemment dans Optique Express (vol. 20, 2012).

Les nano-réseaux sont des nanostructures périodiques dont la taille des caractéristiques est à l'échelle nanométrique. Un nanomètre est un millionième de millimètre, environ 1/50, 000ème du diamètre d'un cheveu humain. Parce que la taille des caractéristiques des nanostructures est inférieure à la longueur d'onde de la lumière, nous ne sommes pas capables de voir les nanostructures avec nos yeux. Cependant, la lumière peut détecter les nanostructures par de fortes absorptions à des longueurs d'onde spécifiques. Ce phénomène est appelé résonance optique des nanostructures, un phénomène fondamental en optique.

Les résonances optiques des nanostructures sont généralement mesurées à l'aide de spectromètres optiques. En créant un motif de super-réseau de nanostructures, l'équipe d'UAHuntsville a réalisé des réseaux de super diffraction avec des structures de nano-réseaux. Avec le super nano-réseau, la résonance de la nanostructure peut être mesurée avec une matrice de photodétecteurs. De cette façon, l'utilisation d'un spectromètre optique n'est pas nécessaire.

Les nanostructures, tels que des nanotrous ou des nanofentes, sont fabriqués à l'aide d'un faisceau d'électrons étroitement focalisé, une technique appelée lithographie par faisceau d'électrons. Les motifs de nanostructure ont d'abord été dessinés avec un ordinateur, puis envoyés à la machine de lithographie par faisceau d'électrons pour contrôler le mouvement du faisceau d'électrons étroitement focalisé pour écrire des nanotrous ou tout autre motif de nanostructure dans une fine couche de polymère spécial appelé e-beam resist.

La couche de polymère écrite par faisceau électronique est ensuite développée afin que les motifs de nanostructure soient imprimés sur la fine couche de polymère. La couche de polymère à motifs fonctionne comme un masque et un processus de gravure aux ions d'argon est utilisé pour transférer le motif de la couche de polymère au film métallique mince en dessous. Cet appareil a été fabriqué par Haisheng Leong, un assistant de recherche diplômé à UAHuntsville.

Le super nano-réseau est un réseau de nano-trous à super-période percé dans un mince film d'or sur un substrat de verre transparent. L'épaisseur du film d'or est de 60 nanomètres et la taille des nanotrous est d'environ 100 nanomètres. Les nanotrous périodiques dans le film métallique mince supportent les oscillations collectives des électrons libres, appelés plasmons de surface, dans le métal nanostructuré.

Les super nano-réseaux ont une physique riche qui doit être étudiée, dit le Dr Guo. Un article qu'il a écrit et récemment publié dans Lettres de physique appliquée (vol. 101, 2012) tente d'expliquer le phénomène de dédoublement des modes de résonance observé dans le réseau de super-nanoholes. La division du mode de résonance peut être utilisée pour fabriquer des capteurs chimiques de meilleure sensibilité.

Les capteurs du spectromètre peuvent détecter des toxines ou des contaminants en très petites quantités. UAHuntsville a récemment déposé un brevet pour licencier la nouvelle technologie.

"Les capteurs spectrométriques sont les mieux adaptés aux applications nécessitant une petite taille et un faible poids, ", a déclaré le Dr Guo. Des capteurs de cette petite taille et légers peuvent être utiles pour les applications d'exploration spatiale de la NASA, telles que la mesure de la composition chimique à la surface de Mars, il a dit.