ИК-Фурье-спектроскопы Bruker становятся частью революции мета-материалов

Введение

В словаре ВИКИПЕДИИ так называемые мета-материалы описаны как искусственные материалы, наделенные свойствами, которые не существуют в природе. Они являются комбинацией нескольких отдельных элементов, созданных из обычных микроскопических материалов, таких как металлы или пластмассы, но как правило, расположенных в согласно предопределенной периодической схеме. За последние два десятилетия многие исследователи в различных областях приложили много усилий к разработке новых свойств мета-материалов, в частности оптических. Например, разработка фотонных кристаллов обеспечивает беспрецедентную гибкость при проектировании линейных и нелинейных оптических свойств, с точки зрения показателя преломления и диэлектрической проницаемости, в зависимости от длины волны, а также для различных направлений и поляризаций. [1]

Экспериментальная часть

Будучи лидером в производстве ИК-Фурье-спектрометров, компания Bruker непрестанно наблюдает за ходом революции мета-материалов.  Так, профессор Гиссен и его команда [2] создали наноантенны из металлического метаматериала SRR с использованием коллоидной нанолитографии с маской, в которых резонансные частоты можно легко регулировать путем изменения геометрии SRR. Резонансная частота каждого образца и поляризационная зависимость были успешно измерена с использованием спектрометра Bruker VERTEX80 и микроскопа Bruker HYPERION. Как показано на рис. 1 (а)(b), образец имеет четкое улучшение отражательной способности при 2800 нм 

a)

• Эксперимент
• Отн. коэффициент отражения
• Длина волны, нм

b)

• Моделирование
• Коэффициент отражения
• Длина волны, нм

Рис. 1:  Относительный коэффициент отражения и численно моделированная отражательная способность образца SRR при падающем электрическом поле, поляризованном параллельно (а) и ортогонально (b) кольцевому зазору (ИК-Фурье-спектроскопия). [2] Измерено на Bruker VERTEX80 с микроскопом HYPERION в режиме измерения отражательной способности.

• A513: Прибор Bruker Optics для измерения отражательной способности, 13°-83°.    
• 1004794 или 1021228: Прибор для измерения отражательной способности при перпендикулярном падении.
• A510/Q-T: Прибор для измерения отражательной способности/пропускания, угол падения 11° для спектрометров с креплением QuickLock. 
• A480 или A480/8: Прибор для измерения пропускания параллельного луча для анализа плоских образцов с высоким показателем преломления (например, полупроводников).
• 10 Spec (1000390): Блок для измерения отражательной способности Pike 10Spec с QL и набором шаблонов. Подсветка образца коллимированным пучком под углом 10 градусов.

с) ИК-микроскоп HYPERION

Если осажденные образцы мета-материалов очень малы или необходимо проверить гомогенность образца, ИК-Фурье-спектрометры Bruker VERTEX могут быть соединены с ИК-микроскопом Bruker HYPERION для микроскопического исследования. Спектральный диапазон HYPERION может быть расширен от средней ИК области до ближней ИК области (NIR), и даже видимой области спектра (VIS, до 25000 см-1), и до дальней ИК области (FIR, примерно до 50 см -1). Для покрытия этого чрезвычайно широкого спектрального диапазона доступны различные сменные детекторы. HYPERION может быть параллельно оснащен двумя детекторами, причем переключение между позициями контролируется программным обеспечением. Если необходимо точное позиционирование или контролируемое изменение температуры, в качестве опции доступны прецизионный контроль xyz и температуры (от -196 до 600°C) (A699-T и A699-TR). HYPERION 3000, который оснащен детектором с фокальной решеткой и поляризаторами, также поддерживает химическое определение таких свойств метаматериалов, как поляризационно-чувствительное идеальное поглощение/отражательная способность. Возможно одновременное исследование площади до 340*340 мкм, а химическая оценка исследованной области осуществляется автоматически в удобном программном обеспечении OPUS/3D. Поляризационная зависимость определенного резонанса в пределах исследованной области может быть четко визуализирована.

(3570 см-1) для падающего электрического поля, поляризованного параллельно кольцевому зазору, и 1750 нм (5710 см-1) для падающего электрического поля поляризованного, ортогонально по отношению к кольцевому зазору, соответственно. Экспериментальные данные и результаты численного моделирования прекрасно согласуются.

Группа профессора Пола ван Дорпе также предложила новое расположение SRR в трех измерениях. [3] Различные оптические резонансы из разных граней 3D-куба были подтверждены экспериментальным способом методом ИК-Фурье-спектроскопии на спектрометре Bruker VERTEX 80v с микроскопом HYPERION, как показано на рисунке 2. Этот успех трехмерного структурирования SRR делает возможным применение для решения таких оптических задач, как создание биодатчиков, спектроскопия комбинационного рассеяния, усиленного поверхностью, и изотропные метаматериалы с отрицательным индексом преломления.

• Коэффициент отражения
• Длина волны, нм
• Затухание
• Длина волны, нм

Рис. 2: Экспериментальные и моделированные оптические спектры кубов со структурированным (а,b) одинарным и (с,d) двойным SRR на всех гранях. (а) Одночастичное ИК-Фурье-измерение отражательной способности шестигранного куба, покрытого одиночными SRR. Врезка: РЭМ-изображение куба. Стрелки указывают поляризацию падающего света. (b) Соответствующие моделированные спектры затухания. Врезки: распределение плотности заряда указанных резонансов. (с) Одночастичное ИК-Фурье-измерение отражательной способности шестигранного куба, покрытого двойными SRR. Врезка: РЭМ-изображение куба. Стрелки указывают поляризацию падающего света. (d) Соответствующие моделированные спектры затухания. Врезки: распределение плотности заряда указанных резонансов. [3] Измерено на Bruker VERTEX80 с микроскопом HYPERION в режиме измерения отражательной способности.

а) Расширение диапазона

ИК-Фурье-спектрометр Bruker серии VERTEX, например VERTEX 80(V), может быть дополнительно оснащен оптическими компонентами для покрытия спектрального диапазона 10 см-1 (5 см-1 для Vertex 80v) от самой дальней ИК области, или терагерцевой области, до средней ИК, ближней ИК, видимой и ультрафиолетовой областей спектра вплоть до 50000 см-1. Автоматическое переключение в полном спектральном диапазоне обеспечивается четырехпозиционным автоматическим блоком светоделителя BMS-c, который работает даже в условиях вакуума. С опциональной камерой для внешнего детектора можно установить и удаленно выбирать в общей сложности до пяти детекторов. Все эти детекторы могут использоваться для получения данных образцов, помещенных в стандартный отсек для образца.

b) Принадлежности

Для различных режимов измерения метаматериалов Bruker предлагает различные стадии пропускания/отражения.

Типовая конфигурация

• VERTEX80 + S125 / 8V (ИК-Фурье-спектрометр с высоким разрешением)
• Q428/7, W121/Z-S, D126, D510/B, T401/8, T602/8   (расширенный диапазон от средней ИК до видимой области спектра)
• A670/Z-R, A670-L, A672-K, A686, D424/3, A605,   A616, A675 (ИК-Фурье-микроскоп HYPERION 2000 FTIR с принадлежностями) 
• A110, F352, S316/7, F131-3, F505, S950+, A105-x,   17378, 1002709 (доступны дополнительные аппаратные и программные опции)

Список использованной литературы

[1] Science 332, 1407 (2011)  Na Liu, Mario Hentschel, Thomas Weiss, A. Paul Alivisatos, and Harald Giessen. [2] ACS Nano 6(1), 979 (2012)  Stefano Cataldo, Jun Zhao, Frank Neubrech, Bettina Frank, Chunjie Zhang, Paul V. Braun, and Harald Giessen. [3] SMALL 7, 14 (2011)  J.-H. Cho, M. D. Keung, N. Verellen, L. Lagae, V. V. Moshchalkov, P. Van Dorpe, and D. H. Gracias.