Over-coupled resonator for broadband surface enhanced infrared absorption (SEIRA) - ONERA - Office national d'études et de recherches aérospatiales Accéder directement au contenu
Article Dans Une Revue Nature Communications Année : 2023

Over-coupled resonator for broadband surface enhanced infrared absorption (SEIRA)

Résonateur surcouplé pour l'exaltation de l'absorption infrarouge de surface large bande (SEIRA)

Résumé

Detection of molecules is a key issue for many applications. Surface enhanced infrared absorption (SEIRA) uses arrays of resonant nanoantennas with good quality factors which can be used to locally enhance the illumination of molecules. The technique has proved to be an effective tool to detect small amount of material. However, nanoresonators can detect molecules on a narrow bandwidth so that a set of resonators is necessary to identify a molecule fingerprint. Here, we introduce an alternative paradigm and use low quality factor resonators with large radiative losses (over-coupled resonators). The bandwidth enables to detect all absorption lines between 5 and 10 μm, reproducing the molecular absorption spectrum. Counterintuitively, despite a lower quality factor, the system sensitivity is improved and we report a reflectivity variation as large as one percent per nanometer of molecular layer of PMMA. This paves the way to specific identification of molecules. We illustrate the potential of the technique with the detection of the explosive precursor 2,4-dinitrotoluene (DNT). There is a fair agreement with electromagnetic simulations and we also introduce an analytic model of the SEIRA signal obtained in the over-coupling regime.
La détection des molécules est une question clé pour de nombreuses applications. L'absorption infrarouge améliorée par la surface (SEIRA) utilise des réseaux de nanoantennes résonnantes avec de bons facteurs de qualité qui peuvent être utilisés pour améliorer localement l'illumination des molécules. Cette technique s'est avérée être un outil efficace pour détecter de petites quantités de matériaux. Cependant, les nanorésonateurs peuvent détecter des molécules sur une bande passante étroite, de sorte qu'un ensemble de résonateurs est nécessaire pour identifier l'empreinte d'une molécule. Nous introduisons ici un paradigme alternatif et utilisons des résonateurs à faible facteur de qualité avec de grandes pertes radiatives (résonateurs surcouplés). La bande passante permet de détecter toutes les raies d'absorption entre 5 et 10 μm, reproduisant le spectre d'absorption moléculaire. De manière contre-intuitive, malgré un facteur de qualité plus faible, la sensibilité du système est améliorée et nous rapportons une variation de réflectivité aussi importante qu'un pour cent par nanomètre de couche moléculaire de PMMA. Cela ouvre la voie à l'identification spécifique des molécules. Nous illustrons le potentiel de la technique avec la détection du précurseur d'explosif 2,4-dinitrotoluène (DNT). L'accord avec les simulations électromagnétiques est satisfaisant et nous présentons également un modèle analytique du signal SEIRA obtenu dans le régime de surcouplage.
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Dates et versions

hal-04182343 , version 1 (17-08-2023)

Licence

Paternité

Identifiants

Citer

Laura Paggi, Alice Fabas, Hasnaa El Ouazzani, Jean-Paul Hugonin, Nikos Fayard, et al.. Over-coupled resonator for broadband surface enhanced infrared absorption (SEIRA). Nature Communications, 2023, 14 (1), pp.4814. ⟨10.1038/s41467-023-40511-7⟩. ⟨hal-04182343⟩
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