韓國(guó)研發(fā)超材料吸收體，增強(qiáng)傳感器監(jiān)測(cè)有害物質(zhì)能力

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)信息通信部下屬的韓國(guó)機(jī)械與材料研究所(KIMM)和韓國(guó)蔚山科學(xué)技術(shù)學(xué)院(UNIST)研究人員組成的一支研究小組開發(fā)了一種超材料吸收體，能夠顯著增強(qiáng)對(duì)有害物質(zhì)或生物分子的檢測(cè)，其研究成果已發(fā)表于Small Methods。

KIMM納米聚合機(jī)械系統(tǒng)研究部首席研究員Joo Yun Jung博士和UNIST的Jongwon Lee教授領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的這種超材料，可以通過(guò)將檢測(cè)信號(hào)放大100倍來(lái)增強(qiáng)紅外吸收光譜。這種超材料是一種具有比紅外波長(zhǎng)更小垂直納米間隙的特殊功能材料。

紅外光譜學(xué)是一種通過(guò)測(cè)量反射光的紅外分子特征吸收來(lái)識(shí)別成分的技術(shù)。在檢測(cè)很少量的痕量目標(biāo)物質(zhì)時(shí)，由于光強(qiáng)差異很小，結(jié)果可能就不夠準(zhǔn)確。

這種超材料可以收集并釋放光能，從而產(chǎn)生可被分子吸收的更高強(qiáng)度的光。即使在檢測(cè)很少量的物質(zhì)時(shí)，利用這種放大后的信號(hào)也能得到更清晰的結(jié)果。

(左)展示了KIMM和UNIST開發(fā)的超材料吸收體的測(cè)量反射光譜。從上到下，超材料吸收體結(jié)構(gòu)中的垂直納米間隙分別為30 nm、15 nm和10 nm。黑色線條表示十八烷基硫醇(ODT)涂層前超材料吸收體的反射光譜，紅色線條表示ODT涂層后的反射光譜。兩條線的下沉量代表聚集的光量(吸收的能量，較低的反射)。波長(zhǎng)在3.4到3.5處，ODT涂層后紅色線條的上升，表示信號(hào)放大。如果未檢測(cè)到信號(hào)，則圖形應(yīng)與藍(lán)色線條相同。兩個(gè)值之間的差值約為36%;(右)超材料吸收體的探測(cè)信號(hào)光譜。

研究人員利用金屬-絕緣體-金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)建了上圖中的十字形納米天線。中間絕緣層厚度為10 nm;垂直納米間隙用于最大化分子的光吸收。

UNIST電子工程系研究員Inyong Hwang說(shuō)：“這種超材料在厚度為2.8 nm的單層膜上展示了創(chuàng)紀(jì)錄的36%差異。這是迄今為止在單層檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中取得的最好記錄?！?/p>

這種超材料的批量生產(chǎn)很容易實(shí)現(xiàn)，并且制造成本低。在超材料表面形成微結(jié)構(gòu)需要高分辨率的光刻技術(shù)，不過(guò)，該團(tuán)隊(duì)的SEIRA平臺(tái)依賴于更經(jīng)濟(jì)的納米壓印光刻和干法蝕刻工藝。KIMM首席研究員Joo Yun Jung博士說(shuō)：“利用納米壓印工藝，我們可以在金屬-絕緣體-金屬結(jié)構(gòu)中構(gòu)建超材料，并將其加工成所需要的圖案。更重要的是，干法蝕刻工藝可以實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)超材料的大批量生產(chǎn)?！?/p>

UNIST的Jongwon Lee教授說(shuō)：“我們是第一個(gè)利用垂直納米間隙誘導(dǎo)近場(chǎng)增強(qiáng)并解決近場(chǎng)暴露的研究。這項(xiàng)技術(shù)預(yù)計(jì)將有廣泛的應(yīng)用，特別是用于探測(cè)生物分子、有害物質(zhì)和氣體的紅外光譜傳感器?！?/p>