Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et de l'Université du Maryland ont montré comment effectuer des mesures à l'échelle nanométrique des propriétés critiques des nanomatériaux plasmoniques, les nanostructures spécialement conçues qui modifient l'interaction de la lumière et de la matière pour diverses applications, y compris les capteurs, dissimulation (invisibilité), photovoltaïque et thérapeutique.

Leur technique est l'une des rares qui permet aux chercheurs d'effectuer des mesures physiques réelles de ces matériaux à l'échelle nanométrique sans affecter la fonction du nanomatériau.

Les nanomatériaux plasmoniques contiennent des structures nanométriques conductrices spécialement conçues qui peuvent améliorer l'interaction entre la lumière et un matériau adjacent, et la forme et la taille de ces nanostructures peuvent être ajustées pour ajuster ces interactions. Les calculs théoriques sont fréquemment utilisés pour comprendre et prédire les propriétés optiques des nanomatériaux plasmoniques, mais peu de techniques expérimentales sont disponibles pour les étudier en détail. Les chercheurs doivent être en mesure de mesurer les propriétés optiques des structures individuelles et la manière dont chacune interagit avec les matériaux environnants directement d'une manière qui n'affecte pas le fonctionnement de la structure.

"Nous voulons maximiser la sensibilité de ces réseaux de résonateurs et étudier leurs propriétés, " explique Andrea Centrone, chercheuse principale. " Pour ce faire, nous avions besoin d'une technique expérimentale que nous pourrions utiliser pour vérifier la théorie et comprendre l'influence des défauts de nanofabrication que l'on trouve généralement dans des échantillons réels. Notre technique a l'avantage d'être extrêmement sensible spatialement et chimiquement, et les résultats sont simples à interpréter."

L'équipe de recherche s'est tournée vers la résonance photothermique induite (PTIR), une nouvelle technique d'analyse des matériaux chimiquement spécifique, et a montré qu'il peut être utilisé pour imager la réponse de nanomatériaux plasmoniques excités par la lumière infrarouge (IR) avec une résolution à l'échelle nanométrique.

L'équipe a utilisé le PTIR pour imager l'énergie absorbée dans des résonateurs plasmoniques en forme d'anneau. Les résonateurs nanométriques concentrent la lumière IR entrante dans les espaces des anneaux pour créer des "points chauds" où l'absorption de la lumière est améliorée, ce qui rend l'identification chimique plus sensible. Pour la première fois, les chercheurs ont quantifié précisément l'absorption dans les points chauds et ont montré que pour les échantillons étudiés, elle est environ 30 fois supérieure aux zones éloignées des résonateurs.

Les chercheurs ont également montré que les matériaux plasmoniques peuvent être utilisés pour augmenter la sensibilité de la spectroscopie IR et PTIR pour l'analyse chimique en améliorant l'intensité lumineuse locale, et ainsi, le signal spectroscopique.

Leurs travaux ont en outre démontré la polyvalence du PTIR en tant qu'outil de mesure permettant de mesurer simultanément la forme d'un nanomatériau, Taille, et la composition chimique, les trois caractéristiques qui déterminent les propriétés d'un nanomatériau. Contrairement à de nombreuses autres méthodes pour sonder les matériaux à l'échelle nanométrique, Le PTIR n'interfère pas avec le matériel faisant l'objet de l'enquête ; il n'exige pas que le chercheur ait une connaissance préalable des propriétés optiques ou de la géométrie du matériau; et elle renvoie des données plus facilement interprétables que d'autres techniques qui nécessitent de séparer la réponse de l'échantillon de la réponse de la sonde.