Исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне разработали массивы крошечных наноантенн, которые могут обнаруживать молекулы, резонирующие в инфракрасном (ИК) спектре.
«Идентификация молекул путем обнаружения их уникальных резонансов поглощения очень важна для мониторинга окружающей среды, управления промышленными процессами и военных приложений», - сказал руководитель группы Даниэль Вассерман, профессор электротехники и вычислительной техники. Вассерман также является частью Лаборатории микро- и нанотехнологий в Иллинойсе.
В пищевой и фармацевтической промышленности свет используется для обнаружения загрязнений и обеспечения качества. Свет взаимодействует со связями в молекулах, которые резонируют на определенных частотах, придавая каждой молекуле «спектральный отпечаток пальца». Многие молекулы и материалы более сильно резонируют в ИК-диапазоне спектра, который имеет очень большую длину волны света - часто большую, чем сами молекулы.
"Сигнатуры поглощения некоторых молекул, представляющих интерес для этих приложений, могут быть довольно слабыми, и по мере того, как мы переходим к наноразмерным материалам, может быть очень трудно увидеть поглощение в объемах, меньших, чем длина волны света. ", - сказал Вассерман. «Именно здесь наши поверхности антенных решеток могут оказать существенное влияние».
Другие наноантенные системы не могут быть настроены на более длинные волны света из-за ограничений традиционных материалов для наноантенн. Команда из Иллинойса использовала высоколегированные полупроводники, выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии, который используется для изготовления ИК-лазеров и детекторов.
«Мы показали, что наноструктуры, изготовленные из высоколегированных полупроводников, действуют как антенны в инфракрасном диапазоне», - сказала Стефани Лоу, научный сотрудник из Иллинойса и ведущий автор работы. «Антенны концентрируют этот очень длинноволновый свет в сверхсубволновых объемах и могут использоваться для обнаружения молекул с очень слабым резонансом поглощения».
Полупроводниковые антенные решетки позволяют длинноволновому свету сильно взаимодействовать с наноразмерными образцами, поэтому решетки могут улучшить обнаружение небольших объемов материалов с помощью стандартного ИК-спектрометра, который уже является обычным оборудованием во многих промышленных и исследовательские лаборатории.
Исследователи также продемонстрировали свою способность контролировать положение и силу резонанса антенны, регулируя размеры наноантенны и свойства полупроводникового материала.
Группа продолжит исследовать новые формы и структуры для дальнейшего улучшения взаимодействия света и материи в очень малых масштабах и для возможной интеграции этих материалов с другими сенсорными системами.
«Мы стремимся интегрировать эти антенные конструкции с оптоэлектронными устройствами, чтобы сделать более эффективные и компактные оптоэлектронные компоненты для датчиков и систем безопасности», - сказал Вассерман.