韩国研发超材料吸收体，增强传感器监测有害物质能力
· 2021-06-11 16:52:50 · 503次浏览据麦姆斯咨询报道，韩国科学技术信息通信部下属的韩国机械与材料研究所(KIMM)和韩国蔚山科学技术学院(UNIST)研究人员组成的一支研究小组开发了一种超材料吸收体，能够显著增强对有害物质或生物分子的检测，其研究成果已发表于Small Methods。
(左)KIMM和UNIST联合开发的超材料吸收体的俯视图SEM图像;(中)超材料吸收体微观结构侧视图;(右)超材料吸收体的结构，图中放大展示了10 nm垂直纳米间隙。
KIMM纳米聚合机械系统研究部首席研究员Joo Yun Jung博士和UNIST的Jongwon Lee教授领导的联合研究团队开发的这种超材料，可以通过将检测信号放大100倍来增强红外吸收光谱。这种超材料是一种具有比红外波长更小垂直纳米间隙的特殊功能材料。
红外光谱学是一种通过测量反射光的红外分子特征吸收来识别成分的技术。在检测很少量的痕量目标物质时，由于光强差异很小，结果可能就不够准确。
这种超材料可以收集并释放光能，从而产生可被分子吸收的更高强度的光。即使在检测很少量的物质时，利用这种放大后的信号也能得到更清晰的结果。
(左)展示了KIMM和UNIST开发的超材料吸收体的测量反射光谱。从上到下，超材料吸收体结构中的垂直纳米间隙分别为30 nm、15 nm和10 nm。黑色线条表示十八烷基硫醇(ODT)涂层前超材料吸收体的反射光谱，红色线条表示ODT涂层后的反射光谱。两条线的下沉量代表聚集的光量(吸收的能量，较低的反射)。波长在3.4到3.5处，ODT涂层后红色线条的上升，表示信号放大。如果未检测到信号，则图形应与蓝色线条相同。两个值之间的差值约为36%;(右)超材料吸收体的探测信号光谱。
研究人员利用金属-绝缘体-金属结构构建了上图中的十字形纳米天线。中间绝缘层厚度为10 nm;垂直纳米间隙用于最大化分子的光吸收。
UNIST电子工程系研究员Inyong Hwang说：“这种超材料在厚度为2.8 nm的单层膜上展示了创纪录的36%差异。这是迄今为止在单层检测实验中取得的最好记录。”
这种超材料的批量生产很容易实现，并且制造成本低。在超材料表面形成微结构需要高分辨率的光刻技术，不过，该团队的SEIRA平台依赖于更经济的纳米压印光刻和干法蚀刻工艺。KIMM首席研究员Joo Yun Jung博士说：“利用纳米压印工艺，我们可以在金属-绝缘体-金属结构中构建超材料，并将其加工成所需要的图案。更重要的是，干法蚀刻工艺可以实现微结构超材料的大批量生产。”
UNIST的Jongwon Lee教授说：“我们是第一个利用垂直纳米间隙诱导近场增强并解决近场暴露的研究。这项技术预计将有广泛的应用，特别是用于探测生物分子、有害物质和气体的红外光谱传感器。”
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