(Phys.org) — Door nanofotonica-technologie naar traditionele optische spectroscopie te brengen, een nieuw soort optische spectrometer met functies van detectie en spectrale meting is onlangs aangetoond door een onderzoeksteam van de Universiteit van Alabama in Huntsville.

Dr. Junpeng Guo, Universitair hoofddocent elektrotechniek en optica aan UAHuntsville, heeft onlangs een nieuw fotonisch apparaat op nanoschaal gemaakt, een super nano-rooster, met de hulp van zijn doctoraatsstudent, Haisheng Leong. Met een gefabriceerd super nano-rooster, De groep van Dr. Guo demonstreerde een nieuw soort optisch sensorapparaat, spectrometersensoren genaamd.

Traditionele optische spectrometers meten de spectra van licht. Traditionele optische sensoren gebruiken licht om de aanwezigheid van chemicaliën te detecteren. Een spectrometersensor is een optische spectrometer en ook een chemische sensor omdat deze het optische resonantiespectrum meet dat wordt gecontroleerd door chemicaliën die op het oppervlak van de nanostructuur zijn gebonden. Een spectrometersensor met een super nanoslit metalen rooster werd voor het eerst gepubliceerd in Optica Letters (vol. 36, 2011) en een spectrometersensor met een super nanohole metalen rooster werd onlangs gepubliceerd in Optica Express (vol. 20, 2012).

Nanoroosters zijn periodieke nanostructuren met de kenmerkgrootte op nanometerschaal. Een nanometer is een miljoenste van een millimeter, ongeveer 1/50, 000ste van de diameter van een mensenhaar. Omdat de kenmerkgrootte van nanostructuren kleiner is dan de golflengte van licht, we zijn niet in staat om nanostructuren te zien met onze ogen. Echter, licht kan nanostructuren waarnemen door sterke absorpties bij specifieke golflengten. Dit fenomeen wordt optische resonantie van nanostructuren genoemd, een fundamenteel fenomeen in de optica.

Optische resonanties van nanostructuren worden typisch gemeten met behulp van optische spectrometers. Door een superroosterpatroon van nanostructuren te creëren, het UAHuntsville-team maakte superdiffractieroosters met nanoroosterstructuren. Met het super nano-rooster, de resonantie van de nanostructuur kan worden gemeten met een fotodetectorarray. Op die manier, het gebruik van een optische spectrometer is niet nodig.

De nanostructuren, zoals nanogaten of nanospleten, worden gemaakt met behulp van een strak gefocuste elektronenstraal, een techniek die elektronenstraallithografie wordt genoemd. Nanostructuurpatronen werden eerst met een computer getekend en vervolgens naar de elektronenstraallithografiemachine gestuurd om de beweging van de strak gefocuste elektronenstraal te regelen om nanogaten of andere nanostructuurpatronen te schrijven in een dunne laag speciaal polymeer genaamd e-beam resist.

De e-beam geschreven polymeerlaag wordt vervolgens ontwikkeld zodat de nanostructuurpatronen worden afgedrukt op de dunne polymeerlaag. De van een patroon voorziene polymeerlaag werkt als een masker en een argonionen-etsproces wordt gebruikt om het patroon van de polymeerlaag over te brengen naar de dunne metaalfilm eronder. Dit apparaat is gemaakt door Haisheng Leong, een afgestudeerde onderzoeksassistent bij UAHuntsville.

Het super nano-rooster is een superperiode nanohole-array geboord in een dunne gouden film op een transparant glassubstraat. De dikte van de goudfilm is 60 nanometer en de grootte van de nanogaatjes is ongeveer 100 nanometer. De periodieke nanogaten in de dunne metaalfilm ondersteunen collectieve vrije elektronenoscillaties, oppervlakteplasmonen genoemd, in het nanogestructureerde metaal.

De super nano-roosters hebben een rijke fysica die moet worden onderzocht, zei Dr. Guo. Een paper dat hij schreef en onlangs publiceerde in Technische Natuurkunde Brieven (vol. 101, 2012) probeert het fenomeen van de splitsing van de resonantiemodus te verklaren dat wordt waargenomen in het super-nanogatrooster. De resonantiemodussplitsing kan worden gebruikt om chemische sensoren met een betere gevoeligheid te maken.

De spectrometersensoren kunnen toxines of contaminanten in zeer kleine hoeveelheden detecteren. UAHuntsville heeft onlangs een patent aangevraagd om de nieuwe technologie in licentie te geven.

"Spectrometersensoren zijn het meest geschikt in toepassingen die een klein formaat en gewicht vereisen, "Zei Dr. Guo. Zulke kleine en lichtgewicht sensoren kunnen nuttig zijn voor NASA-ruimteverkenningstoepassingen zoals het meten van de chemische samenstelling op het oppervlak van Mars, hij zei.