Plasmonica en fotonica hebben de aandacht getrokken in zowel de academische wereld als de industrie vanwege hun gebruik in een uitgebreid scala aan toepassingen, waarvan er één optische detectie omvat. De ontwikkeling van optische detectietechnologie draagt ​​niet alleen bij aan de wetenschappelijke onderzoeksgemeenschap als een veelzijdig hulpmiddel, maar biedt ook aanzienlijke commerciële waarde voor smart city- en Internet of Things (IOT)-toepassingen vanwege de energie-efficiëntie, lichtgewicht, klein formaat en geschikt voor teledetectie. De betekenis ervan versterkend, Wetenschappelijke Amerikaan identificeerde plasmonische detectie als een van de top 10 opkomende technologieën van 2018.

In de afgelopen decennia zijn verschillende optische detectiemechanismen en sensorstructuren voorgesteld en gedemonstreerd. Bijna elk nieuw detectiemechanisme of sensorconfiguratie zou regelmatig worden onderzocht om het detectievermogen te testen. Echter, informatie over de kloof tussen de experimentele realisatie en theoretische limieten, verschil tussen op metaal gebaseerde plasmonische sensoren en op diëlektrische gebaseerde fotonische sensoren, en onderscheid tussen propagerende eigengolf en gelokaliseerde eigenmode-structuren was niet direct beschikbaar.

Onderzoekers van de Singapore University of Technology and Design (SUTD), Singapore, Agentschap voor Wetenschap, Technologie en Onderzoek (A*STAR), Singapore, en het Oostenrijkse Instituut voor Technologie, Oostenrijk, uitgebreid literatuuronderzoek gedaan, systematisch de detectiemogelijkheden van deze optische brekingsindexsensoren samengevat en vergeleken op basis van hun gevoeligheden en verdiensten. Vervolgens werd een 3D-technologiekaart opgesteld (zie figuur 1) om de standaard en ontwikkelingstrend te definiëren voor optische brekingsindexsensoren die plasmonische en fotonische structuren gebruiken.

Vooral, de volgende vier veelvoorkomende typen labelvrije optische brekingsindexsensoren die plasmonische en fotonische structuren gebruiken, werden beoordeeld:

1. Op metaal gebaseerde propagerende plasmonische eigengolfsensoren, zoals een prisma-gekoppelde oppervlakteplasmon-polaritonsensor;
2. Op metaal gebaseerde gelokaliseerde plasmonische eigenmode-sensor, zoals op metalen nanodeeltjes gebaseerde gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantiesensoren;
3. Op diëlektrische basis propagerende fotonische eigengolfsensoren, zoals vezelinterferometers;
4. Op diëlektrische gebaseerde gelokaliseerde fotonische eigenmode-sensoren, zoals fotonische kristalholten.

Aanvullend, meer geavanceerde hybride brekingsindexsensoren zoals Fano-resonantiesensoren en 2-D materialen geïntegreerde plasmonische en fotonische sensoren werden in de beoordeling opgenomen.

"Deze technologiekaart, net als een zoeklicht, geeft duidelijk het gevoelsvermogen aan, verdiensten en tekortkomingen van verschillende categorieën optische brekingsindexsensoren voor onderzoekers in het veld, " zei eerste auteur Yi Xu, doctoraat student van SUTD en Institute of High Performance Computing (IHPC), EEN STER.

Alle nieuw ontwikkelde optische brekingsindexsensoren kunnen aan deze technologiekaart worden toegevoegd om hun waarnemingsvermogen te vergelijken met eerdere werken. De voortdurende toevoeging van nieuwe plasmonische en fotonische brekingsindexsensoren zal de technologiekaart verrijken, daarmee een maatstaf voor deze snelle ontwikkeling van optische brekingsindexsensoren.

"Met deze technologiekaart in gedachten en grondig begrip van de verdiensten, beperkingen, mechanismen en ontwikkelingstrends van verschillende categorieën RI-sensoren, samen, we kunnen het veld effectiever bevorderen, " zei co-corresponderende auteur en PhD co-adviseur, Dr. Lin Wu, IHPC, EEN STER.

Met de technologiekaart verschillende optische brekingsindexsensoren kunnen beter worden geselecteerd op basis van verschillende toepassingen. "Wij geloven dat een dergelijke uitgebreide beoordeling van optische brekingsindexsensoren met plasmonische en fotonische structuren veel aandacht zal trekken in de onderzoeksgemeenschappen, die ingenieurs zal helpen om de juiste sensoren te gebruiken voor het ontwerp van subsystemen in smart city en IOT, " zei SUTD-professor Ricky Ang, co-corresponderende auteur en Ph.D. adviseur.