In de zoektocht naar het benutten van unieke eigenschappen op nanoschaal, wetenschappers van het Stevens Institute of Technology hebben een nieuwe techniek ontwikkeld voor het creëren van uniforme arrays van metalen nanostructuren. Een team van docenten en studenten van de afdeling Natuurkunde en Technische Natuurkunde, onder leiding van dr. Stefan Strauf, toegeëigend methoden uit holografische lithografie om een ​​nieuwe benadering te demonstreren voor het opschalen van de fabricage van plasmonische nanogap-arrays en tegelijkertijd de kosten en infrastructuur te verlagen. Onlangs verscheen een paper over de techniek in Nano-letters 11, 2715 (2011).

"Prof. Strauf doet onderzoek in de voorhoede van de natuurkunde, " zegt dr. Rainer Martini, Afdelingsdirecteur Natuurkunde en Technische Natuurkunde. "Zijn lab produceert onderzoeksdoorbraken met impact tot ver buiten zijn eigen vakgebied en biedt uitstekende leer- en publicatiemogelijkheden voor afgestudeerde en niet-gegradueerde studenten."

Plasmonische nanogap-arrays zijn in wezen uniform geplaatste metalen nanostructuren met een kleine luchtspleet tussen buren. Door sterk begrensde elektrische velden te creëren onder optische verlichting, deze kleine luchtspleten stellen wetenschappers in staat de arrays in verschillende toepassingen te gebruiken, met name in de miniaturisatie van fotonische circuits en ultragevoelige detectie. Dergelijke sensoren kunnen worden gebruikt om de aanwezigheid van specifieke eiwitten of chemicaliën te detecteren tot op het niveau van afzonderlijke moleculen, of gebruikt in hoge resolutie microscopie. Nanofotonische circuits, enorme hoeveelheden informatie kunnen overbrengen, worden als cruciaal beschouwd om het exaflop-verwerkingstijdperk en een nieuwe generatie in rekenkracht tot stand te brengen.

Gevestigde fabricagetechnieken voor nanogap-arrays zijn gericht op seriële methoden, die tijdrovend zijn, een lage doorvoer hebben, en zijn daardoor duur. Holografische lithografie (HL), een optische benadering die gebruikmaakt van interferentiepatronen van laserstralen om periodieke patronen te creëren, eerder was aangetoond dat het subgolflengtekenmerken creëert. Het team van Dr. Strauf ontwikkelde de HL-methodologie door gebruik te maken van interferentie met vier stralen en het concept van een samengesteld rooster om afstembare vormen met twee motieven te creëren in een polymeersjabloon, resulterend in metalen luchtspleten tot 7 nm, zeventig keer kleiner dan de golflengten van het blauwe laserlicht dat wordt gebruikt om de kenmerken te schrijven.

De wetenschappers van Stevens breidden de bruikbaarheid van HL uit om hiaten te creëren met resultaten die vergelijkbaar zijn met moeizame seriële fabricagetechnieken zoals elektronenstraallithografie of gefocusseerde ionenstraalfrezen. Behalve dat het een eenvoudigere en kosteneffectievere productiemethode is, hun techniek vereist geen cleanroom en bereikt momenteel 90% uniformiteit in het arraypatroon. Daarom, deze innovaties vormen de basis voor het maken van hoogwaardige, grootschalige arrays met een hogere snelheid en lagere kosten dan voorheen realiseerbaar.

"Dit onderzoeksproject gaf me de kans om een ​​expert te worden met de HL-techniek, " zegt Xi Zhang, de eerste auteur van het Nano Letters-artikel en een promovendus. Xi en haar medestudenten meten nu de oppervlakteversterkte Raman-verstrooiing (SERS)-effecten die het gevolg zijn van deze arrays en blijven de uniformiteit van de arrays tijdens de fabricage verbeteren. "We hebben zojuist uitstekende resultaten behaald met het eerste SERS-experiment, en er zijn zeker meer papieren om op te volgen, " ze zegt.

Dr. Strauf is directeur van het NanoPhotonics Laboratory (NPL) bij Stevens, waar hij toezicht houdt op baanbrekend onderzoek op het gebied van nanofotonica in vaste toestand en nano-elektronica. Onderzoek in het laboratorium omvat de ontwikkeling van fabricagemethoden voor materialen op nanoschaal en toepassingen voor kwantumapparaten. Recente NPL-projecten hebben geleid tot publicaties over kwantumdots en grafeen. Het lab heeft projectfinanciering ontvangen van het Air Force Office of Scientific Research en twee instrumentatiebeurzen van de National Science Foundation. Dr. Strauf is ook de ontvanger van de prestigieuze NSF CAREER Award.