研究人员利用改进型Sierpinski三角形打造高性能中红外传感器

利用分形技术设计微波和射频天线，正变得越来越流行，这主要归功于它们的“自相似性（self-similarity）”，该特性使得天线能够更好地收集和聚焦宽波段、多频光。据麦姆斯咨询报道，新加坡国立大学（The National University of Singapore，NUS）的研究人员现已通过改进型Sierpinski三角形，打造了一款可在中红外波段运行的分子传感器。该器件可用于分析如细胞和蛋白质单分子等各类生物元素的指纹。

研究人员最近开始利用分形图案来操纵表面等离子体，这些表面等离子体是在与光强烈交互作用的金属纳米结构表面，传导电子的量子化集体振荡。这种强烈的交互作用使得等离子体能够将光集中到亚波长，远低于光的衍射极限。此类应用有很多：如亚衍射聚焦，透明金属电极，提高光电效率，增强分子荧光等。

改进型Sierpinski分形模型

在该研究中，新加坡国立大学（NUS）电子与计算机工程学院与智能传感器和MEMS中心的研究员Chengkuo Lee和 Dihan Hasan研究了由金和铬（Cr）组成的Sierpinski分形模型。

Hasan解释道：“我们最初的目标是研究这种分形结构的特性，为中红外传感调整其尺寸。然后，我们为了在该光谱范围内极大地提高其传感性能，想出了略微改进模型的办法。”

Sierpinski分形是一种具有内在“自相似性”的等边三角形的分形，也就是说，它组成的三角形能以更小的尺寸（或“规则”）重复出现。电磁结构的自相似性对于缩小器件尺寸非常重要，因此就能实现将光聚焦在特定频率上。Hasan说：“研究中，我们在不破坏其自相似性的前提下，稍微改进了现有的分形模型。”

蝴蝶结纳米结构

Hasan补充道，Sierpinski分形特别适合与蝴蝶结纳米结构相结合。这些结构最擅长处理局部表面等离子体共振和增强光场，正是由于其尖端的“避雷针效应”（lightning rod effect），让它们充当纳米天线有着天然优势。这些天线具有“等离子体模式”，可调谐与附近分子的光学跃迁共振。正是这些等离子体模式增加了相邻分子与天线发出的光耦合，这就意味着它们可以被用作传感器。

在如纳米光刻、超低功耗光学捕获及等离子体全息高密度数据存储等许多高性能等离子体应用中，Sierpinski分形已成为其中的关键元素。问题是，由于在分形元器件的连接处有几何差异，因此很难制造出纯粹的Sierpinski分形。更重要的是，以往制造的分形并没有充分利用纳米蝴蝶结的避雷针效应。

无需分子功能化

Lee和Hasan目前利用先进的电子束刻蚀技术（electron beam lithography）精确地调整了这些分形的几何结构。研究人员通过改进其架构，发现这种结构可以增强中红外波段的光场（3000到8000 nm）。这些元器件的排列方式也能最大限度地提高纳米蝴蝶结/分形图案的避雷针效应。

Hasan解释道：“传统的共振传感主要集中在光谱的可见光波段。由于中红外光波段是许多生物分子的吸收范围，因此，我们研究了中红外光谱范围内的传感。”

探测这些分子的吸收情况，无需将生物分子功能化，这些分子就能被传感器感测到。

新的研究方向：片上分子传感器（on-chip molecule sensors）

Hasan补充道：“红外感应也能使我们更可靠地辨别生物系统中发生的相继事件。我们所描述的多光谱分形平台最终将允许在单一平台上对各类分子进行高通量多路复用检测。这应该能够在多个感兴趣的波长上，提高成像的信噪比。”

Hasan称：通过改进分形化，使宽波段和增强的光吸收成为可能，该技术在中红外波长感知生物分子的应用中很有前景。他补充道：“但这还不是全部，由于吸光‘热点’数量的增加，增强的光物质相互作用也使得该器件在光学范围内更加敏感。在这里，光可以有效地转化为片上电子读出，这将有助于中红外传感器克服其‘体积庞大’的主要限制。”

该团队将其工作成果发表在IOP 期刊平台的Nano Futures期刊中，文章网址：http://iopscience.iop.org/article/10.1088/2399-1984/aabe00。该团队表示，目前正忙于将该平台与二维材料相集成，以制造片上分子传感器。Hasan说：“我们正在积极研究各种二维材料的热电性能。”

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