I strävan att utnyttja unika egenskaper på nanoskala, forskare vid Stevens Institute of Technology har utvecklat en ny teknik för att skapa enhetliga arrayer av metalliska nanostrukturer. Ett team av lärare och studenter vid institutionen för fysik och teknisk fysik, ledd av Dr Stefan Strauf, tillägnade metoder från holografisk litografi för att demonstrera ett nytt tillvägagångssätt för att skala upp tillverkningen av plasmoniska nanogap-matriser och samtidigt minska kostnader och infrastruktur. En artikel om tekniken dök nyligen upp i Nanobokstäver 11, 2715 (2011).
"Prof Strauf forskar i fysikens framkant, " säger Dr Rainer Martini, Avdelningsdirektör för fysik och teknisk fysik. "Hans labb producerar forskningsgenombrott med inverkan långt utanför hans eget område och ger utmärkta lärande- och publiceringsmöjligheter för doktorander och studenter."
Plasmoniska nanogap-arrayer är i huvudsak enhetligt placerade metalliska nanostrukturer som har ett litet luftgap mellan grannar. Genom att skapa starkt begränsade elektriska fält under optisk belysning, dessa små luftspalter gör det möjligt för forskare att använda arrayerna i en mängd olika applikationer, speciellt vid miniatyrisering av fotoniska kretsar och ultrakänslig avkänning. Sådana sensorer kan användas för att detektera närvaron av specifika proteiner eller kemikalier ner till nivån av enstaka molekyler, eller används i högupplöst mikroskopi. Nanofotoniska kretsar, kan överföra stora mängder information, anses vara avgörande för att åstadkomma exaflops bearbetningsera och en ny generation av datorkraft.
Etablerade tillverkningstekniker för nanogap-arrayer har fokuserat på seriella metoder, som är tidskrävande, har låg genomströmning, och är följaktligen dyra. Holografisk litografi (HL), ett optiskt tillvägagångssätt som utnyttjar interferensmönster för laserstrålar för att skapa periodiska mönster, hade tidigare visat sig skapa subvåglängdsfunktioner. Dr Straufs team avancerade HL-metoden genom att använda fyra strålar interferens och konceptet med ett sammansatt gitter för att skapa avstämbara tvillingmotivformer till en polymermall, vilket resulterar i metalliska luftgap ner till 7 nm, sjuttio gånger mindre än våglängderna för det blå laserljuset som används för att skriva funktionerna.
Stevens-forskarna utökade användbarheten av HL för att skapa luckor med resultat jämförbara med mödosamma serietillverkningstekniker som elektronstrålelitografi eller fokuserad jonstrålefräsning. Förutom att vara en enklare och mer kostnadseffektiv produktionsmetod, deras teknik kräver inte ett rent rum och uppnår för närvarande 90 % enhetlighet i arraymönstret. Därför, dessa innovationer ger grunden för att göra högkvalitativa, storskaliga arrayer med högre hastighet och lägre kostnad än vad som tidigare varit möjligt.
"Det här forskningsprojektet gav mig en möjlighet att bli expert på HL-tekniken, säger Xi Zhang, den första författaren till Nano Letters-artikeln och en doktorand. Xi och hennes studiekamrater mäter nu de ytförstärkta Raman-spridningseffekterna (SERS) som härrör från dessa arrayer och fortsätter att förbättra arrayernas enhetlighet under tillverkning. "Vi fick precis några utmärkta resultat från det första SERS-experimentet, och det finns säkert fler papper att följa upp, " hon säger.
Dr Strauf är chef för NanoPhotonics Laboratory (NPL) på Stevens, där han övervakar spjutspetsforskning inom områdena solid-state nanophotonics och nanoelectronics. Forskningen vid labbet inkluderar utvecklingen av tillverkningsmetoder för nanoskalamaterial och kvantenhetstillämpningar. Nyligen genomförda NPL-projekt har resulterat i artiklar publicerade om kvantprickar och grafen. Labbet har fått projektfinansiering från Air Force Office of Scientific Research och två instrumenteringsanslag från National Science Foundation. Dr Strauf är också mottagare av det prestigefyllda NSF CAREER Award.
