Nanofoco de plasma de luz blanca para un nanoanálisis espectral completo. (A) Esquema del nanofoco de plasmón para nanoanálisis de luz blanca y banda prohibida espectral. (B) Esquema de estructura metálica ahusada utilizada para simulación. (C) Superposición de ondas con diferentes vectores de ondas. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aba4179
Las fuentes de nanoluz basadas en excitones resonantes de plasmones cerca de una nanoestructura metálica nítida han atraído un gran interés en la nanoimagen óptica. Sin embargo, el fenómeno resonante solo funciona para un tipo de longitud de onda que resuena con plasmones. En comparación con la resonancia plasmónica, el método alternativo de nanofoco de plasmones puede generar una fuente de nanoluz mediante la propagación y compresión de plasmones en una nanoestructura metálica cónica, independiente de la longitud de onda, debido a su dependencia de la propagación. En un nuevo informe sobre Avances de la ciencia , Takayuki Umakoshi y un equipo de investigación en física aplicada y química en Japón generaron una fuente de nanoluz blanca que abarca todo el rango de luz visible a través del nanofoco de plasmón. Usando el proceso, demostraron nanoimágenes de banda prohibida espectral de nanotubos de carbono (CNT). La demostración experimental de la fuente de nanoluz blanca permitirá que diversos campos de investigación avancen hacia la próxima generación, tecnologías nanofotónicas.
La coexistencia de múltiples longitudes de onda de luz en un volumen nanométrico confinado puede constituir un efecto óptico interesante. El nanolight único es, por lo tanto, una plataforma prometedora para diversos campos de investigación al brindar oportunidades para sondear una muestra en un rango de longitudes de onda. o inducir interacciones luz-luz entre diferentes longitudes de onda a nanoescala. Las antenas ópticas han jugado un papel importante en las últimas décadas para confinar la luz a nanoescala a través de resonancias de plasmones localizados en nanoestructuras metálicas, conduciendo a una investigación sin precedentes en nanolight, incluida la mejora del campo de luz. Dado que la resonancia de plasmón es un fenómeno resonante, no puede facilitar la generación de nanolight de banda ancha, por lo tanto, como resultado, El nanofoco de plasmones ha ganado una mayor atención como una alternativa para generar fuentes de nanoluz. Durante el proceso, Se puede diseñar una fuente de luz a nanoescala propagando y superenfocando polaritones de plasmón superficial (SPP) en el vértice de un metal, superestructura cónica. El trabajo condujo a una enorme mejora del campo de luz a nanoescala, en el vértice y dio como resultado una iluminación sin fondo. Los científicos han explorado la propiedad de banda ancha resultante para la mezcla de cuatro ondas con una alta eficiencia de conversión no lineal. La fuente de luz de banda ancha nanoenfocada con plasmones es una herramienta poderosa en diversos campos de investigación.
Propiedad de banda ancha del nanoenfoque de plasmón evaluada mediante simulaciones FDTD. (A) Mapas de distribución de campo eléctrico en las proximidades del vértice de la estructura de plata cónica producidos por simulaciones FDTD. Barras de escala, 100 nm. La hendidura del acoplador de plasmón, donde se iluminaba la luz blanca, no se muestra, ya que está fuera del marco. (B) Espectro de campo cercano simulado detectado 6 nm por debajo del vértice. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aba4179
En este trabajo, Umakoshi y col. introdujo una fuente de nanoluz blanca que abarca todo el rango de longitud de onda visible, generada mediante nanofoco de plasmón. Mostraron imágenes ópticas de banda ancha de energía de banda ancha de nanotubos de carbono utilizando la fuente de luz blanca. Aunque el nanofoco de plasmones se puede excitar en un amplio rango de longitudes de onda, los investigadores solo lo han utilizado en el rango del infrarrojo cercano debido a las limitaciones de los materiales que constituyen la estructura cónica. Habían utilizado oro como material para formar estructuras cónicas cónicas y reducir las pérdidas óhmicas, pero tales experimentos permanecieron en el rango del infrarrojo cercano y no en el rango visible o ultravioleta. Umakoshi y col. también había desarrollado recientemente un método de fabricación eficiente para formar estructuras metálicas ahusadas basadas en la evaporación térmica, donde la construcción incluía un voladizo de silicio disponible comercialmente con una punta piramidal. Usando una superficie de la pirámide como base, obtuvieron un cono metálico bidimensional y crearon un recubrimiento metálico extremadamente suave aplicable a una variedad de tipos de metales, incluida la plata. Usando el cono de plata, El equipo obtuvo un nanofoco de plasmón altamente eficiente con una reproducibilidad del 100 por ciento a 642 nm y realizó un nanofoco de plasmón blanco en una amplia gama de longitudes de onda visibles.
Fabricación de una estructura cónica plateada sobre punta en voladizo. (A) Esquema del proceso de fabricación de la estructura de plata cónica en una punta en voladizo. (B) Imagen de microscopía electrónica de barrido de la estructura de plata cónica fabricada en la punta en voladizo. El recuadro muestra una vista lateral de la capa plateada. Barras de escala, 2 μm (recuadro, 200 nm). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aba4179
Diseño e ingeniería de una estructura metálica cónica para nanofoco de plasmón de banda ancha
Umakoshi y col. desarrolló una estructura metálica ahusada para mantener una fuente de nanoluz blanca de banda ancha sobre una punta piramidal de silicio oxidado con una fina capa de plata recubierta en una superficie de la pirámide. Usando una sola rendija de 200 nanómetros (nm) en plata, acoplaron la luz en el rango visible, y calculó las distribuciones del campo eléctrico en la vecindad del ápice en múltiples longitudes de onda de excitación usando el método de dominio de tiempo de diferencia finita (FDTD). El equipo observó fuertes campos eléctricos confinados en la punta del ápice en longitudes de onda de excitación que van desde 460 nm a 1200 nm. El trabajo mostró cómo una rendija de 200 nm de ancho generó una fuente de nanoluz de banda ancha que se extendía por toda la región visible para llegar incluso a la región del infrarrojo cercano. Durante el proceso de fabricación, los científicos utilizaron una punta en voladizo de silicio disponible comercialmente con forma piramidal. Oxidaron el voladizo de silicio y desarrollaron una capa de plata suave con una rugosidad superficial de 1 nm para reducir la pérdida de energía durante la propagación de SPP (polaritón de plasmón superficial).
Observación óptica de una fuente de nanoluz blanca generada mediante nanofoco de plasmón. (A) Imagen óptica de una estructura de plata ahusada iluminada por láser supercontinuo en su rendija. Las ubicaciones de los límites de la punta y la ranura se indican mediante líneas discontinuas. El recuadro muestra una imagen ampliada del ápice. La polarización incidente fue normal a la hendidura, como indica la flecha. (B y C) Imágenes ópticas de la misma estructura de plata cónica con iluminación láser supercontinuo en diferentes polarizaciones incidentes, como lo indican las flechas. (D) Gráfico polar de la intensidad del punto de luz en el vértice con respecto a la polarización incidente; 0 ° y 90 ° corresponden a polarizaciones paralelas y perpendiculares, respectivamente. (E) Imágenes ópticas de la estructura cónica plateada iluminada con un láser supercontinuo, observado a través de una serie de filtros de paso de banda indicados por sus longitudes de onda centrales. (F) Espectro de dispersión de la mancha óptica en el vértice de la estructura de plata cónica. a.u., unidades arbitrarias. (G) Espectro de campo cercano simulado calculado en el vértice de la punta. Barras de escala, 2 μm (A y E). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aba4179
Generación de una fuente de luz blanca mediante nanofoco de plasmón y realización de imágenes de banda prohibida espectral
Para comprender el proceso de producción de luz blanca confinada a través de la estructura cónica basada en el nanofoco de plasmón, el equipo iluminó la estructura de la rendija con un láser supercontinuo coherente que se extendió a través de una amplia gama de longitudes de onda. Cuando la polarización incidente era perpendicular a la rendija, notaron el mejor acoplamiento en la configuración de acuerdo con las simulaciones. A medida que se acortaba la longitud de onda, la eficiencia de dispersión aumentó. Por lo tanto, el equipo observó experimentalmente una mayor intensidad en el rango de longitud de onda más corto.
Utilizaron la fuente de luz blanca nanoenfocada en plasmón para realizar un nanoanálisis espectral de CNT (nanotubos de carbono). La fuente de nanoluz blanca localizada en la punta del ápice interactuó con los haces de CNT que contenían múltiples bandgaps durante el experimento. La señal de dispersión aumentó durante el experimento para indicar fotones con la misma energía que correspondían a las bandas prohibidas de los CNT. Umakoshi y col. luego combinó el enfoque con la espectroscopía Raman para examinar la quiralidad de la muestra de CNT.
Nanoimagen óptica de CNTs utilizando la fuente de nanolight blanca. (A) Una imagen AFM de paquetes CNT. Las estructuras observadas en las partes izquierda y derecha de la imagen son las CNT metálicas (m-CNT) y semiconductoras (s-CNT), respectivamente, tal como se identificó durante el proceso de preparación de la muestra. Barra de escala, 100 nm. (B) Espectros de campo cercano de s-CNT y m-CNT, obtenido de los lugares indicados por las cruces azul y roja, respectivamente, en un). (C) Espectros de campo cercano obtenidos píxel a píxel a lo largo de la línea de puntos en (A). (D a F) Imágenes de banda prohibida construidas en 620, 680, y 730 nm, respectivamente. Barras de escala, 100 nm. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aba4179
La fuente de luz blanca enfocada en plasmones en este trabajo es un estado de luz fundamental y efectivo para la nanoimagen de banda prohibida. Este trabajo allanará el camino para una variedad de posibles aplicaciones, incluido el sondeo de biomoléculas para comprender sus propiedades de absorción a una resolución espacial a nanoescala. Una fuente de nanoluz de banda ancha de infrarrojo medio también será productiva en la ciencia de los materiales y la biología molecular. Esta técnica también puede aumentar la capacidad analítica de la espectroscopia Raman mejorada en la superficie para investigar las vibraciones moleculares.
De este modo, Takayuki Umakoshi y sus colegas generaron una fuente de nanoluz blanca en el vértice de una estructura de plata cónica utilizando nanofoco de plasmón para realizar nanoanálisis de nanotubos de carbono. El equipo diseñó y diseñó una estructura cónica que indujo el nanofoco del plasmón en un amplio rango de longitudes de onda. La técnica de banda prohibida espectral tendrá una amplia gama de aplicaciones a nanoescala en la ciencia de los materiales y la investigación biológica. El trabajo demostrado es solo un ejemplo, con diversas aplicaciones posibles basadas en una potente y fundamental herramienta óptica a nanoescala con excelente flexibilidad de longitud de onda.
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