Onderzoekers verkennen nieuwe diepten in infrarood nanospectroscopie

Onderzoekers van de Nanooptics Group van CIC nanoGUNE (San Sebastian) tonen aan dat infraroodbeeldvorming op nanoschaal – die is vastgesteld als een oppervlaktegevoelige techniek – kan worden gebruikt voor chemische nano-identificatie van materialen die zich tot 100 nm onder een oppervlak bevinden. De resultaten laten verder zien dat de infraroodkenmerken van dunne oppervlaktelagen verschillen van die van ondergrondse lagen van hetzelfde materiaal, die kunnen worden gebruikt om de twee gevallen te onderscheiden. De bevindingen, onlangs gepubliceerd in Nature Communications, zet de techniek een belangrijke stap verder naar kwantitatieve chemometrie op nanoschaal in drie dimensies.

Optische spectroscopie met infrarood licht, zoals Fourier-transform infrarood (FTIR) spectroscopie, maakt chemische identificatie van organische en anorganische materialen mogelijk. De kleinste objecten die met conventionele FTIR-microscopen te onderscheiden zijn, hebben afmetingen op micrometerschaal. Wetenschappers van CIC nanoGUNE (San Sebastian) gebruikten echter nano-FTIR om objecten op te lossen, die zo klein kunnen zijn als een paar nanometer.

In nano-FTIR (dat is gebaseerd op optische optische microscopie in de buurt van het veld) wordt infrarood licht verstrooid op een scherpe, gemetalliseerde punt van een scanning-probe-microscoop. De punt wordt over het oppervlak van een interessant monster gescand en de spectra van verstrooid licht worden geregistreerd met behulp van Fourier-transformatie-detectieprincipes. Opname van het met punt verstrooide licht levert de infrarood spectrale eigenschappen van het monster op en dus de chemische samenstelling van een gebied direct onder de top van de punt. Omdat de punt over het monsteroppervlak wordt gescand, wordt nano-FTIR doorgaans beschouwd als een techniek voor oppervlaktekarakterisering.

Belangrijk is echter dat het infraroodlicht dat nanofocus is door de punt niet alleen een nanometrisch gebied onder de punt onderzoekt, maar in feite een nanometrisch volume onder de punt meet. Nu lieten de onderzoekers van CIC nanoGUNE zien dat spectrale signaturen van materialen onder het monsteroppervlak kunnen worden gedetecteerd en chemisch geïdentificeerd tot een diepte van 100 nm. Verder toonden de onderzoekers aan dat nano-FTIR-signalen van dunne oppervlaktelagen verschillen van die van ondergrondse lagen van hetzelfde materiaal, die kunnen worden benut voor het bepalen van de materiaalverdeling binnen het monster. Opvallend is dat oppervlaktelagen en ondergrondse lagen direct te onderscheiden zijn van experimentele data zonder tijdrovende modellering. De bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in Nature Communications.