Des scientifiques du Centre de photonique et de matériaux 2D de l'Institut de physique et de technologie de Moscou (MIPT), l'Université d'Oviedo, Centre international de physique de Donostia, et CIC nanoGUNE ont proposé une nouvelle façon d'étudier les propriétés de molécules organiques individuelles et de nanocouches de molécules. L'approche, décrit dans Nanophotonique , repose sur des structures de film de graphène-métal en forme de V.

L'analyse non destructive des molécules par spectroscopie infrarouge est indispensable dans de nombreuses situations de la chimie organique et inorganique :pour le contrôle des concentrations de gaz, détecter la dégradation des polymères, mesurer la teneur en alcool dans le sang, etc. Cependant, cette méthode simple n'est pas applicable à de petits nombres de molécules dans un nanovolume. Dans leur étude récente, des chercheurs de Russie et d'Espagne proposent un moyen de résoudre ce problème.

Une notion clé sous-jacente à la nouvelle technique est celle de plasmon. Défini au sens large, il fait référence à une oscillation d'électrons couplée à une onde électromagnétique. Se propager ensemble, les deux peuvent être considérés comme une quasiparticule.

L'étude a examiné les plasmons dans une structure en forme de coin de plusieurs dizaines de nanomètres. Un côté du coin est une couche d'atomes de carbone d'une épaisseur d'un atome, connu sous le nom de graphène. Il accueille des plasmons se propageant le long de la nappe, avec des charges oscillantes sous forme d'électrons de Dirac ou de trous. L'autre côté de la structure en forme de V est un film d'or ou d'un autre métal électriquement conducteur qui s'étend presque parallèlement à la feuille de graphène. L'espace entre les deux est rempli d'une couche effilée de matériau diélectrique, par exemple, le nitrure de bore—qui fait 2 nanomètres d'épaisseur dans sa partie la plus étroite (fig. 1).

Une telle configuration permet la localisation des plasmons, ou en se concentrant. Il s'agit d'un processus qui convertit les plasmons réguliers en plasmons de plus courte longueur d'onde, appelé acoustique. Lorsqu'un plasmon se propage le long du graphène, son champ est forcé dans des espaces progressivement plus petits dans le coin effilé. Par conséquent, la longueur d'onde devient plusieurs fois plus petite et l'amplitude du champ dans la région entre le métal et le graphène est amplifiée. De cette manière, un plasmon régulier se transforme progressivement en un acoustique.

"On savait auparavant que les polaritons et les modes d'onde subissent une telle compression dans les guides d'ondes effilés. Nous avons entrepris d'examiner ce processus spécifiquement pour le graphène, mais a ensuite examiné les applications possibles du système graphène-métal en termes de production de spectres moléculaires, " a déclaré le co-auteur de l'article Kirill Voronin du laboratoire MIPT de nanooptique et de plasmonique.

L'équipe a testé son idée sur une molécule connue sous le nom de CBP, qui est utilisé dans la pharmacie et les diodes électroluminescentes organiques. Il se caractérise par un pic d'absorption important à une longueur d'onde de 6,9 ​​micromètres. L'étude a examiné la réponse d'une couche de molécules, qui a été placé dans la partie mince de la cale, entre le métal et le graphène. La couche moléculaire était aussi mince que 2 nanomètres, ou trois ordres de grandeur plus petits que la longueur d'onde des plasmons d'excitation laser. Mesurer une si faible absorption des molécules serait impossible en utilisant la spectroscopie conventionnelle.

Dans le montage proposé par les physiciens, cependant, le champ est localisé dans un espace beaucoup plus restreint, permettant à l'équipe de se concentrer sur l'échantillon et d'enregistrer une réponse de plusieurs molécules voire d'une seule grosse molécule comme l'ADN.

Il existe différentes manières d'exciter les plasmons dans le graphène. La technique la plus efficace repose sur un microscope à balayage en champ proche de type diffusion. Son aiguille est positionnée à proximité du graphène et irradiée avec un faisceau lumineux focalisé. Comme la pointe de l'aiguille est très petite, il peut exciter des ondes avec un très grand vecteur d'onde et une petite longueur d'onde. Les plasmons excités à partir de l'extrémité effilée du coin voyagent le long du graphène vers les molécules à analyser. Après avoir interagi avec les molécules, les plasmons sont réfléchis à l'extrémité effilée du coin puis dispersés par la même aiguille qui les a initialement excités, qui sert ainsi de détecteur.

"Nous avons calculé le coefficient de réflexion, C'est, le rapport de l'intensité du plasmon réfléchi à l'intensité du rayonnement laser d'origine. Le coefficient de réflexion dépend clairement de la fréquence, et la fréquence maximale coïncide avec le pic d'absorption des molécules. Il devient évident que l'absorption est très faible - environ plusieurs pour cent - dans le cas des plasmons de graphène réguliers. En ce qui concerne les plasmons acoustiques, le coefficient de réflexion est inférieur de quelques dizaines de pour cent. Cela signifie que le rayonnement est fortement absorbé dans la petite couche de molécules, " ajoute Alexey Nikitin, co-auteur de l'article et professeur invité du MIPT, chercheur au Donostia International Physics Center, Espagne.

Après certaines améliorations des processus technologiques impliqués, le schéma proposé par les chercheurs russes et espagnols peut servir de base à la création de dispositifs réels. Selon l'équipe, ils seraient surtout utiles pour étudier les propriétés de composés organiques peu étudiés et pour détecter ceux connus.