In een nieuwe publicatie van Opto-Electronic Advances, de onderzoeksgroepen van professor Zhong-Qun Tian van de Xiamen University, Xiamen, China en professor Huigao Duan van de Hunan University Changsha, China bespreken nanobridged rhombische antennes die zowel dipolaire als hoge-orde plasmonische modi ondersteunen met ruimtelijk gesuperponeerde hotspots in het midden-infrarood.

Mid-infrarood antennes (MIRA's), vaak opgebouwd uit metalen (bijv. Au, Al of Ag), sterk gedoteerde III-V halfgeleiders, elektron-gedoteerde grafeen of fonon-polariton-gebaseerde nanostructuren, ondersteunen optische resonantie in het midden-infrarood spectrale bereik (400 tot 4000 cm−1). MIRA's kunnen fungeren als ontvangstantennes en daardoor midden-infrarode stralen van de vrije ruimte naar nanoschaalgebieden (ook wel hotspots genoemd) in de buurt van het oppervlak van MIRA's concentreren. MIRA's kunnen ook fungeren als zendantennes om warmtestraling gericht te versterken die wordt geproduceerd door lokale verwarming van bronnen die aan MIRA's zijn gekoppeld. Deze indrukwekkende kenmerken van MIRA's hebben geleid tot een breed scala aan onderzoeken naar hun potentiële toepassingen voor oppervlakteversterkte infraroodabsorptie (SEIRA) spectroscopie, wat leidt tot ultrahoge gevoeligheden (tot honderden oscillatoren), voor biologische en chemische sensoren in het midden-infraroodgebied, voor beam-shape engineering van kwantumcascadelasers, en voor zeer responsieve fotodetectoren met verbeterde absorptie en efficiëntie van de fotodragerverzameling in het midden-infrarood. De kernelementen voor de hoogwaardige toepassingen zijn de MIRA-micro- en nanostructuren, maar de ontwikkeling van MIRA-structuren blijft ver achter bij die van optische antenne-nanostructuren in het zichtbare spectrale bereik.

Enkelarmige dipolaire antennestructuren behoren tot de meest klassieke MIRA's, vaak bestaande uit gouden staven met afstembare resonantiegolflengten door de lengte van de staven af ​​te stemmen. Bovendien zijn er ook tweearmige dipolaire antennes met gaten ter grootte van nanometers (nanogaps), zoals goudstaafdimeren, ontwikkeld vanwege de sterkte van de lokale veldversterkingsfactoren in hun nanogaps. Niettemin ondersteunen zowel enkelarmige als dubbelarmige dipolaire antennes meestal alleen de dipolaire resonantiemodus, wat een fundamentele en smalbandige modus is met een typische bandbreedte van ongeveer 200-500 cm−1. Gewoonlijk zijn modi van hoge orde in eenarmige of tweearmige arm meestal te zwak in de optische spectra. Deze functie beperkt de toepassing die meerdere resonanties vereist in de MIR-regio.

Om multiband-MIRA's te verkrijgen, zijn verschillende micro- en nanostructuren ontworpen die verder gaan dan enkelarmige of tweearmige antennes, waaronder gouden nano-kruisen, nano-openingsstructuren, fractale microstructuren, log-periodieke trapeziumvormige structuren en dipolaire antennes met meerdere lengtes. Deze structuren kunnen worden onderverdeeld in micro- en nanostructuren die verschillende dipolaire modi ondersteunen. Fundamenteel is het een uitdaging voor de lange termijn om eenarmige of tweearmige antennes te ontwikkelen die gelijktijdig uitgesproken fundamentele en hoge-orde plasmonische modi ondersteunen, zoals een quadrupolaire modus.

De onderzoeksgroep van professor Zhong-Qun Tian van de Universiteit van Xiamen en professor Huigao Duan van de Universiteit van Hunan ontwierp en fabriceerde een multischaal nanobridged rhombische antenne (NBRA, figuur 1a) die twee dominante resonanties in de MIR (figuur 1b) ondersteunde, waaronder een ladingsoverdracht plasmon (CTP) band en een gebrugde dipolaire plasmon (BDP) band die eruitziet als een viervoudige resonantie. Deze opdrachten worden bewezen door verstrooiing-type scanning near-field optische microscopie (s-SNOM) beeldvorming en elektromagnetische simulaties. In vergelijking met andere structuren met nanobrug, zoals schijven of rechthoeken met nanobrug, vertoont de NBRA verschillende multibandresonanties in het midden-infraroodgebied in de gesimuleerde uitstervingsspectra. Verder bevinden de hotspots van de NBRA zich aan de uiteinden van de structuur, terwijl de hotspots van nanobridged-schijven of rechthoeken bij de CTP-resonantie dispersief zijn verdeeld. De band van hoge orde komt alleen voor met een brug van nanometerformaat (nanobrug) die is gekoppeld aan het ene uiteinde van de ruitvormige arm die voornamelijk fungeert als de inductantie en de weerstand door de RLC-circuitanalyse. Bovendien zijn de belangrijkste hotspots die zijn gekoppeld aan de twee resonantiebanden ruimtelijk over elkaar heen gelegd, waardoor het lokale veld voor beide banden kan worden versterkt door koppeling op meerdere schalen. Met grote veldverbeteringen wordt multibanddetectie met hoge gevoeligheid voor een monolaag van moleculen bereikt bij gebruik van SEIRA-spectroscopie. Dit werk biedt een nieuwe strategie om in de toekomst hogere orde-modi te activeren voor het ontwerpen van multiband-MIRA's met zowel nanobruggen als nanogaps voor dergelijke MIR-toepassingen zoals multiband SEIRA's, IR-detectoren en bundelvorming van kwantumcascadelasers. + Verder verkennen

Engineering single-molecule fluorescentie met asymmetrische nano-antennes