(Phys.org) — Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign hebben arrays van kleine nano-antennes ontwikkeld die het mogelijk maken om moleculen te detecteren die resoneren in het infrarood (IR) spectrum.

"De identificatie van moleculen door hun unieke absorptieresonanties waar te nemen, is erg belangrijk voor milieumonitoring, industriële procescontrole en militaire toepassingen, " zei teamleider Daniel Wasserman, een professor in elektrische en computertechniek. Wasserman maakt ook deel uit van het Micro and Nano Technology Laboratory in Illinois.

De voedings- en farmaceutische industrie gebruiken licht om verontreinigingen op te sporen en de kwaliteit te waarborgen. Het licht interageert met de bindingen in de moleculen, die resoneren op bepaalde frequenties, waardoor elk molecuul een "spectrale vingerafdruk" krijgt. Veel moleculen en materialen resoneren sterker aan het IR-uiteinde van het spectrum, die zeer lange golflengten van licht heeft - vaak groter dan de moleculen zelf.

"De absorptiesignaturen van sommige van de moleculen die van belang zijn voor deze toepassingen kunnen vrij zwak zijn, en naarmate we overgaan op materialen op nanoschaal, het kan heel moeilijk zijn om absorptie te zien van volumes die kleiner zijn dan de golflengte van licht, "Zei Wasserman. "Het is hier dat onze antenne-array-oppervlakken een aanzienlijke impact kunnen hebben."

Andere antennesystemen op nanoschaal kunnen niet worden afgestemd op een langere lichtgolflengte vanwege de beperkingen van traditionele nanoantennematerialen. Het team uit Illinois gebruikte sterk gedoteerde halfgeleiders, gekweekt door een techniek genaamd moleculaire bundelepitaxie die wordt gebruikt om IR-lasers en -detectoren te maken.

"We hebben aangetoond dat nanostructuren vervaardigd uit sterk gedoteerde halfgeleiders fungeren als antennes in het infrarood, " zei Stephanie Law, een postdoctoraal onderzoeker in Illinois en de hoofdauteur van het werk. "De antennes concentreren dit licht met zeer lange golflengte in ultra-subgolflengtevolumes, en kan worden gebruikt om moleculen met zeer zwakke absorptieresonanties waar te nemen."

De halfgeleiderantenne-arrays zorgen ervoor dat licht met een lange golflengte sterk kan interageren met monsters op nanoschaal, dus de arrays zouden de detectie van kleine hoeveelheden materialen kunnen verbeteren met een standaard IR-spectrometer - al een alledaags apparaat in veel industriële en onderzoekslaboratoria.

De onderzoekers toonden verder aan dat ze de positie en sterkte van de antenneresonantie kunnen controleren door de afmetingen van de nanoantenne en de eigenschappen van het halfgeleidermateriaal aan te passen.

De groep zal doorgaan met het verkennen van nieuwe vormen en structuren om de interactie tussen licht en materie op zeer kleine schaal verder te verbeteren en deze materialen mogelijk te integreren met andere detectiesystemen.

"We willen deze antennestructuren integreren met opto-elektronische apparaten om efficiëntere, kleiner, opto-elektronische componenten voor detectie- en beveiligingstoepassingen, ' zei Wasserman.

Het artikel is getiteld "All-Semiconductor Plasmonic Nanoantennas for Infrared Sensing."