Nanofotonik teknologi muliggør en ny slags optisk spektrometer

(Phys.org)—Ved at bringe nanofotonikteknologi til traditionel optisk spektroskopi, en ny slags optisk spektrometer med funktioner til sansning og spektral måling er for nylig blevet demonstreret af et forskerhold ved University of Alabama i Huntsville.

Dr. Junpeng Guo, Lektor i elektroteknik og optik ved UAHuntsville, for nylig skabt en ny fotonisk enhed i nanoskala kaldet et supernano-rist, med bistand fra sin ph.d.-studerende, Haisheng Leong. Med et fremstillet super nano-rist, Dr. Guos gruppe demonstrerede en ny slags optisk sanseapparat kaldet spektrometersensorer.

Traditionelle optiske spektrometre måler lysets spektre. Traditionelle optiske sensorer bruger lys til at registrere tilstedeværelsen af ​​kemikalier. En spektrometersensor er et optisk spektrometer og også en kemisk sensor, fordi den måler det optiske resonansspektrum, der styres af kemikalier bundet på nanostrukturoverfladen. En spektrometersensor med et super nanoslit metalgitter blev først offentliggjort i Optik bogstaver (bind 36, 2011) og en spektrometersensor med et super nanohul-metalgitter blev offentliggjort for nylig i Optik Express (bind 20, 2012).

Nano-riste er periodiske nanostrukturer med trækstørrelsen i nanometerskalaen. En nanometer er en milliontedel af en millimeter, omkring 1/50, 000. af diameteren af ​​et menneskehår. Fordi egenskabsstørrelsen af ​​nanostrukturer er mindre end lysets bølgelængde, vi er ikke i stand til at se nanostrukturer med vores øjne. Imidlertid, lys kan mærke nanostrukturer ved stærke absorptioner ved specifikke bølgelængder. Dette fænomen kaldes optisk resonans af nanostrukturer, et grundlæggende fænomen i optik.

Optiske resonanser af nanostrukturer måles typisk ved at bruge optiske spektrometre. Ved at skabe et super-ristende mønster af nanostrukturer, UAHuntsville-teamet lavede superdiffraktionsgitre med nano-gitterstrukturer. Med super nano-rist, resonansen af ​​nanostrukturen kan måles med et fotodetektorarray. Den vej, brugen af ​​et optisk spektrometer er ikke nødvendig.

Nanostrukturerne, såsom nanohuller eller nanospalter, fremstilles ved at bruge en tæt fokuseret elektronstråle, en teknik kaldet elektronstrålelitografi. Nanostrukturmønstre blev først tegnet med en computer og derefter sendt til elektronstrålelitografimaskinen for at kontrollere bevægelsen af ​​den tæt fokuserede elektronstråle for at skrive nanohuller eller andre nanostrukturmønstre i et tyndt lag af speciel polymer kaldet e-beam resist.

Det e-beam skrevne polymerlag udvikles derefter, så nanostrukturmønstrene er præget til det tynde polymerlag. Det mønstrede polymerlag fungerer som en maske, og en argonion-ætsningsproces bruges til at overføre mønsteret fra polymerlaget til den tynde metalfilm nedenunder. Denne enhed blev lavet af Haisheng Leong, en uddannet forskningsassistent ved UAHuntsville.

Super nano-risten er et super-periodisk nanohul-array boret i en tynd guldfilm på et gennemsigtigt glassubstrat. Tykkelsen af ​​guldfilmen er 60 nanometer og størrelsen af ​​nanohullerne er omkring 100 nanometer. De periodiske nanohuller i den tynde metalfilm understøtter kollektive frie elektronoscillationer, benævnt overfladeplasmoner, i det nanostrukturerede metal.

Super nano-ristene har rig fysik, der skal undersøges, sagde Dr. Guo. Et papir, han skrev og for nylig udgivet i Anvendt fysik bogstaver (bind 101, 2012) forsøger at forklare resonanstilstandsspaltningsfænomenet observeret i super-nanohole-gitteret. Resonanstilstandsopdelingen kan bruges til at lave kemiske sensorer med bedre følsomhed.

Spektrometersensorerne kan registrere toksiner eller forurenende stoffer i meget små mængder. UAHuntsville har for nylig indgivet et patent for at licensere den nye teknologi.

"Spektrometersensorer er bedst egnede til applikationer, der kræver lille størrelse og vægt, "Dr. Guo sagde. Sådanne små størrelser og lette sensorer kan være nyttige til NASAs rumudforskningsapplikationer som måling af den kemiske sammensætning på overfladen af ​​Mars, han sagde.