Emission lumineuse d'une jonction STM avec une pointe Fabry-Pérot plasmonique La nanolumière (plasmon de surface localisé) est excitée dans la jonction STM par effet tunnel d'électrons (e-). La lumière émise (hv) montre un spectre modulé résultant d'une interférence Fabry-Pérot du polariton plasmonique de surface se propageant sur l'arbre. Crédit :Takashi Kumagai
La manipulation de la lumière à l'échelle nanométrique dans les jonctions de microscopes à effet tunnel est obtenue par nanofabrication de pointes en or à l'aide d'une technique de faisceau d'ions focalisé. Chercheurs de l'Institut Fritz-Haber, Berlin, Allemagne, ont démontré qu'un spectre de nanolumière dans une jonction plasmonique à l'échelle nanométrique peut être modulé avec des pointes plasmoniques de Fabry-Pérot. Le contrôle précis de la nanolumière est d'une importance capitale pour l'imagerie et la spectroscopie à l'échelle nanométrique pour étudier la structure, dynamique, et les propriétés optoélectroniques des nanomatériaux et des molécules uniques.
La résolution spatiale de la microscopie optique et de la spectroscopie est déterminée par le degré de confinement de la lumière dans l'espace, qui est généralement limitée à environ un demi-micromètre au mieux en raison de la limite de diffraction. Cependant, la lumière peut être confinée à l'échelle nanométrique en utilisant des nanostructures métalliques par excitation de la résonance plasmonique de surface localisée (LSPR). Avoir une telle nanolumière à une pointe métallique pointue est particulièrement utile car elle peut être utilisée dans la luminescence à effet tunnel (STL) et la microscopie optique à champ proche à balayage de type diffusion (s-SNOM) effectuant une imagerie et une spectroscopie à l'échelle nanométrique pour examiner les nanomatériaux et même les simples molécules. Cependant, la manipulation précise de nanolight dans une jonction à l'échelle nanométrique est restée un problème en suspens. Parce que la nature de la nanolumière (LSPR) est déterminée par la structure nanoscopique de la pointe, sa manipulation nécessite une technique de traitement fine à l'échelle nanométrique. En outre, la nanolumière confinée dans des nanocavités est d'une importance clé en raison du fort effet d'amélioration d'un champ électromagnétique, qui permet une imagerie et une spectroscopie ultrasensibles à l'échelle nanométrique.
Une équipe de recherche de l'Institut Fritz-Haber de Berlin, dirigé par le Dr Takashi Kumagai, ont maintenant démontré que la manipulation du spectre de la nanolumière peut être obtenue en façonnant avec précision des pointes d'or plasmoniques avec une technique de broyage par faisceau d'ions focalisé (FIB). A titre de démonstration exemplaire, ils ont produit une pointe très pointue avec une seule rainure sur son arbre, comme le montre l'image au microscope électronique à balayage. La réponse spectrale de la nanolumière confinée dans la nanocavité formée par la pointe rainurée et une surface argentée atomiquement plate a été étudiée à l'aide de STL, c'est-à-dire la combinaison de spectroscopies électroniques et optiques utilisant la microscopie à effet tunnel. Les spectres STML avec les pointes rainurées présentent une modulation caractéristique résultant de l'interférence de type Fabry-Pérot des polaritons de plasmons de surface (SPP) sur l'arbre de la pointe lorsque la formation d'ondes stationnaires est visualisée dans la simulation électrodynamique.
Résultats expérimentaux et simulation :(a) Images SEM d'une pointe FIB en or. Une seule rainure est réalisée à une distance (L) de l'apex. (b) Schéma de la mesure STL. L'émission de lumière (hv) se produit par excitation de LSPR dans la jonction par effet tunnel d'électrons (e-).(c) STL spectres obtenus par FIB-tips. Une modulation spectrale est observée pour les pointes avec un sillon et la période d'oscillation dépend de la distance du sillon. La formation permanente de SPP se produit sur la tige de la pointe. Crédit :Takashi Kumagai
La modulation spectrale peut être contrôlée avec précision par la position de la rainure sur l'arbre. Ils ont également démontré que l'interférence SPP Fabry-Pérot peut être améliorée en optimisant la forme globale de la pointe.
Ce travail montre un grand potentiel de la combinaison des techniques de sondes à balayage et de nano-fabrication de pointes plasmoniques à l'aide de FIB afin d'étudier la nature des interactions nanolumière et lumière-matière dans les nanocavités, qui sont une frontière importante de la plasmonique et de la nanooptique. En outre, les pointes plasmoniques fabriquées par FIB sont généralement applicables aux techniques s-SNOM, ouvrant ainsi la voie à l'imagerie et à la spectroscopie à l'échelle nanométrique avec un haut degré de précision. De plus, Le contrôle spectral du champ proche intense au sommet des pointes plasmoniques peut ouvrir de nouvelles opportunités pour la réalisation de sources ponctuelles d'électrons cohérentes déclenchées par laser pour les techniques de microscopie électronique et d'holographie à basse énergie.
