Nanofocalisation plasmonique de la lumière blanche pour une nanoanalyse spectrale complète. (A) Schéma de la nanofocalisation plasmonique pour la nanoanalyse de la lumière blanche et de la bande interdite spectrale. (B) Schéma de la structure métallique effilée utilisée pour la simulation. (C) Superposition d'ondes avec différents vecteurs d'ondes. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aba4179
Les sources de nanolumière basées sur des excitons résonnants de plasmons à proximité d'une nanostructure métallique pointue ont suscité un grand intérêt pour la nano-imagerie optique. Cependant, le phénomène de résonance ne fonctionne que pour un type de longueur d'onde qui résonne avec les plasmons. Par rapport à la résonance plasmonique, le procédé alternatif de nanofocalisation de plasmons peut générer une source de nanolumière en propageant et en comprimant des plasmons sur une nanostructure métallique effilée, indépendant de la longueur d'onde, en raison de sa dépendance à la propagation. Dans un nouveau rapport sur Avancées scientifiques , Takayuki Umakoshi et une équipe de recherche en physique et chimie appliquées au Japon ont généré une source de nanolumière blanche couvrant toute la gamme de lumière visible grâce à la nanofocalisation plasmonique. En utilisant le processus, ils ont démontré la nanoimagerie à bande interdite spectrale des nanotubes de carbone (CNT). La démonstration expérimentale de la source de nanolumière blanche permettra à divers domaines de recherche de progresser vers la prochaine génération, technologies nanophotoniques.
La coexistence de plusieurs longueurs d'onde de lumière dans un volume nanométrique confiné peut constituer un effet optique intéressant. La nanolumière unique est donc une plate-forme prometteuse pour divers domaines de recherche en offrant des possibilités de sonder un échantillon sur une gamme de longueurs d'onde, ou induire des interactions lumière-lumière entre différentes longueurs d'onde à l'échelle nanométrique. Les antennes optiques ont joué un rôle important au cours des dernières décennies pour confiner la lumière à l'échelle nanométrique grâce à des résonances plasmoniques localisées dans des nanostructures métalliques, menant à des recherches sans précédent sur la nanolumière, y compris l'amélioration du champ lumineux. Puisque la résonance plasmonique est un phénomène résonant, il ne peut pas faciliter la génération de nanolumière à large bande, donc, par conséquent, La nanofocalisation plasmon a suscité une plus grande attention en tant qu'alternative pour générer des sources de nanolumière. Pendant le processus, une source de lumière à l'échelle nanométrique peut être conçue en propageant et en superfocalisant des polaritons de plasmons de surface (SPP) au sommet d'un élément métallique, superstructure effilée. Le travail a conduit à une énorme amélioration du champ lumineux à l'échelle nanométrique, au sommet et a abouti à un éclairage sans arrière-plan. Les scientifiques ont exploré la propriété à large bande résultante pour le mélange à quatre ondes avec une efficacité de conversion non linéaire élevée. La source lumineuse à large bande plasmon-nanofocalisée est un outil puissant dans divers domaines de recherche.
Propriété à large bande de la nanofocalisation plasmonique évaluée par des simulations FDTD. (A) Cartes de distribution du champ électrique à proximité du sommet de la structure d'argent effilée produite par des simulations FDTD. Barres d'échelle, 100 nm. La fente du coupleur plasmon, où la lumière blanche était illuminée, n'est pas affiché, car il est hors du cadre. (B) Spectre de champ proche simulé détecté 6 nm en dessous de l'apex. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aba4179
Dans ce travail, Umakoshi et al. introduit une source de nanolumière blanche couvrant toute la gamme de longueurs d'onde visibles, générée par nanofocalisation plasmon. Ils ont montré une imagerie optique à bande interdite à large bande de nanotubes de carbone à l'aide de la source de nanolumière blanche. Bien que la nanofocalisation plasmonique puisse être excitée dans une large gamme de longueurs d'onde, les chercheurs ne l'ont utilisé que dans le proche infrarouge en raison des limitations des matériaux constituant la structure effilée. Ils avaient utilisé l'or comme matériau pour former des structures coniques coniques et réduire les pertes ohmiques, mais ces expériences sont restées dans le domaine du proche infrarouge et non dans le domaine visible ou ultraviolet. Umakoshi et al. avait également récemment développé une méthode de fabrication efficace pour former des structures métalliques effilées basées sur l'évaporation thermique, où la construction comprenait un porte-à-faux en silicium disponible dans le commerce avec une pointe pyramidale. En utilisant une surface de la pyramide comme base, ils ont obtenu un cône métallique bidimensionnel et créé un revêtement métallique extrêmement lisse applicable à une gamme de types de métaux, y compris l'argent. En utilisant le cône d'argent, l'équipe a obtenu une nanofocalisation de plasmon très efficace avec une reproductibilité de 100 % à 642 nm et a effectué une nanofocalisation de plasmon blanc sur une large gamme de longueurs d'onde visibles.
Fabrication d'une structure argentée effilée sur une pointe en porte-à-faux. (A) Schéma du processus de fabrication de la structure en argent effilée sur une pointe en porte-à-faux. (B) Image de microscopie électronique à balayage de la structure en argent effilée fabriquée sur la pointe en porte-à-faux. L'encart montre une vue latérale de la couche d'argent. Barres d'échelle, 2 m (encart, 200 nm). Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aba4179
Conception et ingénierie d'une structure métallique effilée pour la nanofocalisation plasmonique à large bande
Umakoshi et al. a développé une structure métallique effilée pour maintenir une source de nanolumière blanche à large bande sur une pointe pyramidale en silicium oxydé avec une fine couche d'argent enduite sur une surface de la pyramide. À l'aide d'une seule fente de 200 nanomètres (nm) en argent, ils ont couplé la lumière dans le domaine visible, et calculé les distributions de champ électrique à proximité de l'apex à plusieurs longueurs d'onde d'excitation en utilisant la méthode du domaine de différence finie (FDTD). L'équipe a observé de forts champs électriques confinés à l'extrémité de l'apex à des longueurs d'onde d'excitation allant de 460 nm à 1200 nm. Les travaux ont montré comment une fente de 200 nm de large générait une source de nanolumière à large bande couvrant toute la région visible pour atteindre même la région proche infrarouge. Pendant le processus de fabrication, les scientifiques ont utilisé une pointe en porte-à-faux en silicium disponible dans le commerce avec une forme pyramidale. Ils ont oxydé le porte-à-faux en silicium et développé un revêtement d'argent lisse d'une rugosité de surface de 1 nm pour réduire la perte d'énergie lors de la propagation du SPP (surface plasmon polariton).
Observation optique d'une source de nanolumière blanche générée par nanofocalisation plasmonique. (A) Image optique d'une structure d'argent effilée sous éclairage par laser supercontinuum à sa fente. Les emplacements des limites de la pointe ainsi que la fente sont indiqués par des lignes pointillées. L'encart montre une image agrandie de l'apex. La polarisation incidente était normale à la fente comme indiqué par la flèche. (B et C) Images optiques de la même structure en argent effilée avec un éclairage laser supercontinu à différentes polarisations incidentes, comme indiqué par les flèches. (D) Graphique polaire de l'intensité du spot lumineux au sommet par rapport à la polarisation incidente ; 0° et 90° correspondent à des polarisations parallèles et perpendiculaires, respectivement. (E) Images optiques de la structure en argent effilée illuminée avec un laser supercontinuum, observé à travers une série de filtres passe-bande indiqués par leurs longueurs d'onde centrales. (F) Spectre de diffusion de la tache optique au sommet de la structure en argent effilée. a.u., unités arbitraires. (G) Spectre de champ proche simulé calculé au sommet de la pointe. Barres d'échelle, 2 µm (A et E). Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aba4179
Génération d'une source de lumière blanche par nanofocalisation plasmonique et réalisation d'une imagerie spectrale à bande interdite
Pour comprendre le processus de production de lumière blanche confinée à travers la structure conique basée sur la nanofocalisation plasmon, l'équipe a illuminé la structure de la fente avec un laser supercontinuum cohérent qui s'étendait sur une large gamme de longueurs d'onde. Lorsque la polarisation incidente était perpendiculaire à la fente, ils ont noté le meilleur couplage dans le montage en accord avec les simulations. Au fur et à mesure que la longueur d'onde se raccourcissait, l'efficacité de diffusion a augmenté. Par conséquent, l'équipe a observé expérimentalement une intensité plus élevée dans la gamme de longueurs d'onde plus courte.
Ils ont utilisé la source de lumière blanche plasmon-nanofocalisée pour effectuer une nanoanalyse spectrale des NTC (nanotubes de carbone). La source de nanolumière blanche localisée à l'extrémité de l'apex a interagi avec des faisceaux de CNT contenant plusieurs bandes interdites au cours de l'expérience. Le signal de diffusion a augmenté au cours de l'expérience pour indiquer des photons avec la même énergie qui correspondait aux bandes interdites des CNT. Umakoshi et al. puis combiné l'approche avec la spectroscopie Raman pour examiner la chiralité de l'échantillon de CNT.
Nanoimagerie optique des NTC à l'aide de la source de nanolumière blanche. (A) Une image AFM de faisceaux de CNT. Les structures observées sur les parties gauche et droite de l'image sont les NTC métalliques (m-CNTs) et semi-conducteurs (s-CNTs), respectivement, tel qu'identifié au cours du processus de préparation de l'échantillon. Barre d'échelle, 100 nm. (B) Spectres en champ proche des s-CNT et m-CNT, obtenu à partir des emplacements indiqués par les croix bleue et rouge, respectivement, dans un). (C) Spectres en champ proche obtenus pixel par pixel le long de la ligne pointillée en (A). (D à F) Images Bandgap construites à 620, 680, et 730 nm, respectivement. Barres d'échelle, 100 nm. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aba4179
La source de lumière blanche focalisée sur le plasmon dans ce travail est un état de lumière fondamental et efficace pour la nano-imagerie à bande interdite. Ce travail ouvrira la voie à une variété d'applications possibles, y compris sonder les biomolécules pour comprendre leurs propriétés d'absorption à une résolution spatiale à l'échelle nanométrique. Une source de nanolumière à large bande dans l'infrarouge moyen sera également productive dans les domaines de la science des matériaux et de la biologie moléculaire. Cette technique peut également augmenter la capacité analytique de la spectroscopie Raman à surface améliorée pour étudier les vibrations moléculaires.
De cette façon, Takayuki Umakoshi et ses collègues ont généré une source de nanolumière blanche au sommet d'une structure d'argent effilée en utilisant la nanofocalisation plasmonique pour effectuer une nanoanalyse de nanotubes de carbone. L'équipe a conçu et mis au point une structure effilée qui a induit une nanofocalisation du plasmon sur une large gamme de longueurs d'onde. La technique de la bande interdite spectrale aura de nombreuses applications à l'échelle nanométrique dans la science des matériaux et la recherche biologique. Le travail démontré n'est qu'un exemple unique, avec diverses applications possibles basées sur un outil optique nanométrique puissant et fondamental avec une excellente flexibilité de longueur d'onde.
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