Des chercheurs de l'Université d'Okayama ont créé une nouvelle technique de spectroscopie infrarouge utilisant les propriétés d'un absorbeur à base de métamatériau pour améliorer la sortie spectrale. Des essais sur une monocouche auto-assemblante d'acide 16-MHDA ont montré des pics distincts correspondant à l'étirement carbone-hydrogène dans la monocouche.
Les métamatériaux plasmoniques sont des substances artificielles dont la structure peut être manipulée pour influencer la façon dont elles interagissent avec la lumière. En tant que tel, les métamatériaux offrent une plate-forme attrayante pour les applications de détection, y compris la spectroscopie d'absorption infrarouge (IR) - une technique utilisée pour découvrir les détails de la composition chimique et de la structure des substances.
Maintenant, Atsushi Ishikawa de l'Université d'Okayama et ses collègues ont fabriqué un nouvel absorbeur de métamatériau plasmonique composé d'or et de fluor de magnésium capable d'une détection infrarouge à haute sensibilité. Le métamatériau pourrait s'avérer inestimable dans le développement de technologies d'inspection IR de nouvelle génération.
Les chercheurs ont soigneusement conçu leur absorbeur pour maximiser le signal IR et minimiser le bruit de fond. Le métamatériau est constitué de rubans d'or de 50 nm sur un film d'or épais, séparés par une couche de fluor de magnésium (voir image).
La longueur d'onde de l'IR est plus longue et a moins d'énergie que la lumière visible, ce qui signifie qu'il n'est pas assez fort pour exciter les électrons, contrairement à d'autres types de spectroscopie. La spectroscopie d'absorption IR exploite donc la capacité de l'IR à induire des vibrations dans les atomes liés. Les composés organiques vont absorber le rayonnement IR correspondant aux différents types de vibrations moléculaires présentes; les spectres d'absorption qui en résultent renseignent les scientifiques sur la structure chimique unique des composés.
Pour tester les capacités du nouveau métamatériau, l'équipe a décidé d'identifier les modes vibrationnels d'étirement des liaisons carbone-hydrogène dans l'acide 16-mercaptohexadécanoïque (16-MHDA). Ils ont plongé l'absorbeur dans une solution d'éthanol 16-MHDA pour favoriser le développement d'une monocouche auto-assemblante des molécules d'acide. Sous rayonnement IR à différents angles d'incidence, la sortie spectrale métamatériau-monocouche affichait des pics distincts correspondant à l'étirement carbone-hydrogène, avec les pics les plus prononcés sous IR à un angle de 40°.
La nouvelle approche des métamatériaux a donné des mesures très détaillées concernant de minuscules détails moléculaires (au niveau de l'attamole) dans la monocouche 16-MHDA. Les chercheurs espèrent que leur nouvelle technique ouvrira les portes au développement de technologies d'inspection IR ultrasensibles pour les applications de science des matériaux et de sécurité.
Métamatériaux
La capacité de manipuler l'absorption lumineuse des matériaux pourrait révolutionner de nombreuses technologies, comme les cellules photovoltaïques et les dispositifs thermiques. La recherche sur la conception et le développement de métamatériaux plasmoniques est encore relativement nouvelle. Ces matériaux sont synthétiques, et les scientifiques peuvent concevoir leurs structures de surface pour exploiter le comportement des plasmons de surface - des quasi-particules qui existent sur les surfaces métalliques et interagissent avec la lumière - pour obtenir des propriétés optiques ajustables.
La spectroscopie d'absorption infrarouge pourrait être considérablement améliorée par l'introduction d'absorbeurs réglables à base de métamatériaux conçus pour permettre la détection à haute résolution de minuscules détails moléculaires.
Méthodologie
L'absorbeur de métamatériau construit par l'équipe comprenait des nano-rubans d'or (mesurant 50 nm d'épaisseur) sur une base de film d'or, avec une fine couche de fluor de magnésium séparant les deux couches d'or. Comme les monocouches moléculaires s'auto-assemblent sur des surfaces de métaux nobles, ils ont émis l'hypothèse que le métamatériau à base d'or s'avérerait un candidat solide pour permettre la mesure à haute résolution des modes vibrationnels induits par l'IR dans des monocouches auto-assemblantes.
Leur approche consistait à recouvrir leur absorbeur de métamatériau d'une monocouche ultrafine auto-assemblante de molécules d'acide 16-MDHA. Ils ont également recouvert un échantillon de film d'or nu avec la même monocouche à des fins de comparaison.
Les chercheurs ont soumis les deux monocouches à un rayonnement infrarouge à différents angles d'incidence. La monocouche sur or nu présentait un faible rapport signal-bruit, et il était très difficile de voir les creux d'absorption sur la sortie spectrale correspondant à l'étirement carbone-hydrogène induit par IR dans la monocouche.
En revanche, les creux d'absorption étaient très bien prononcés dans la lecture spectrale pour le métamatériau-monocouche, parce que les modes vibrationnels des molécules de 16-MHDA résonnaient avec les modes plasmoniques du métamatériau. Ce soi-disant «couplage résonant» a produit des pics distincts correspondant à l'étirement carbone-hydrogène induit par IR dans la structure moléculaire 16-MHDA. Le couplage résonant dépendait de l'angle de la lumière incidente, avec le plus clair, signal le plus fort à un angle de 40°.
Les chercheurs pensent que leur absorbeur pourrait ouvrir la porte à de nouvelles technologies de détection infrarouge ultra-sensibles. Plus loin, leur technique pourrait être exploitée d'autres manières - en optimisant la structure de surface d'autres métamatériaux, ils pourraient encore améliorer le couplage résonant et permettre des sensibilités jusqu'au niveau du zeptomole.
