Schéma montrant la technique de résonance photothermique induite (PTIR), qui combine la résolution latérale de la microscopie à force atomique (AFM) avec la spécificité chimique de la spectroscopie IR. Un accordable en longueur d'onde, un laser IR pulsé (violet) illumine un échantillon composé de résonateurs plasmoniques en or du dessous. La dilatation thermique résultante de l'échantillon est détectée localement par la pointe en porte-à-faux AFM, qui est surveillé en réfléchissant un laser (bleu) à l'arrière du porte-à-faux.
Des chercheurs du NIST Center for Nanoscale Science and Technology (CNST) et de l'Université du Maryland ont pour la première fois utilisé la résonance photothermique induite (PTIR) pour caractériser des nanomatériaux plasmoniques individuels afin d'obtenir des cartes d'absorption et des spectres avec une résolution à l'échelle nanométrique. La nanostructuration des matériaux plasmoniques permet l'ingénierie de leur réponse optique résonante et crée de nouvelles opportunités pour les applications qui bénéficient d'interactions lumière-matière améliorées, y compris la détection, photovoltaïque, photocatalyse, et thérapeutiques.
Les progrès de la nanotechnologie sont souvent rendus possibles par la disponibilité de méthodes de mesure pour caractériser les matériaux à des échelles de longueur suffisamment petites. En mesurant l'absorption infrarouge à l'échelle nanométrique, Le PTIR fournit des informations qui ne sont pas autrement disponibles pour la caractérisation et l'ingénierie des matériaux plasmoniques. Le PTIR mesure l'absorption de la lumière dans un matériau à l'aide d'un laser accordable en longueur d'onde et d'une pointe acérée en contact avec l'échantillon comme détecteur local. Contrairement à de nombreuses autres méthodes qui utilisent des pointes nanométriques pour sonder les matériaux, en PTIR, la pointe est passive et n'interfère pas avec la mesure. Par conséquent, l'absorption lumineuse dans l'échantillon peut être mesurée directement sans nécessiter un modèle de la pointe ou une connaissance préalable de l'échantillon.
Les chercheurs ont collecté des informations sur l'absorption à l'échelle nanométrique de deux manières :en cartographiant l'absorption infrarouge tout en balayant une pointe sur un échantillon sous un éclairage à longueur d'onde constante ; et deuxieme, en mesurant des spectres d'absorption spécifiques à l'emplacement tout en balayant un laser sur une gamme de longueurs d'onde infrarouges. En utilisant des lasers accordables qui donnent aux utilisateurs de l'installation CNST la possibilité de faire varier les longueurs d'onde de 1,55 µm à 16,00 µm, les chercheurs ont acquis les spectres d'absorption infrarouge à l'échelle nanométrique des résonateurs en or, la première mesure de ce type de tout nanomatériau plasmonique. Bien que les images d'absorption permettent une visualisation immédiate et puissent être mesurées avec d'autres techniques, les spectres PTIR fournissent les informations nécessaires pour interpréter les images et guider les expériences.
Des matériaux plasmoniques comme l'or, qui ont une conductivité thermique élevée et des coefficients de dilatation thermique relativement faibles, étaient auparavant considérés comme difficiles à mesurer à l'aide du PTIR, car la technique repose sur la dilatation thermique de l'échantillon pour mesurer l'absorption de la lumière. Selon Andrea Centrone, un chef de projet au sein du groupe de recherche sur l'énergie, "nous avons montré que la caractérisation PTIR n'est pas uniquement applicable aux isolants et semi-conducteurs, comme démontré précédemment, mais que les métaux s'y prêtent aussi. Il s'agit d'un pas en avant important pour l'application de la technique PTIR à une plus grande variété de dispositifs fonctionnels."
