(Phys.org)—Genom att föra nanofotonikteknologi till traditionell optisk spektroskopi, en ny typ av optisk spektrometer med funktioner för avkänning och spektralmätning har nyligen demonstrerats av ett forskarlag vid University of Alabama i Huntsville.

Dr Junpeng Guo, Docent i elektroteknik och optik vid UAHuntsville, skapade nyligen en ny fotonisk enhet i nanoskala som kallas supernano-gitter, med hjälp av sin doktorand, Haisheng Leong. Med ett tillverkat supernano-galler, Dr. Guos grupp demonstrerade en ny typ av optisk avkänningsapparat som kallas spektrometersensorer.

Traditionella optiska spektrometrar mäter ljusets spektra. Traditionella optiska sensorer använder ljus för att upptäcka förekomsten av kemikalier. En spektrometersensor är en optisk spektrometer och även en kemisk sensor eftersom den mäter det optiska resonansspektrumet som styrs av kemikalier bundna på nanostrukturens yta. En spektrometersensor med ett supernanoslit metallgitter publicerades först i Optik bokstäver (vol. 36, 2011) och en spektrometersensor med ett supernanohålmetallgitter publicerades nyligen i Optik Express (vol. 20, 2012).

Nano-gitter är periodiska nanostrukturer med egenskapsstorleken i nanometerskalan. En nanometer är en miljondels millimeter, ca 1/50, 000:e av diametern på ett människohår. Eftersom egenskapsstorleken hos nanostrukturer är mindre än ljusets våglängd, vi kan inte se nanostrukturer med våra ögon. Dock, ljus kan känna av nanostrukturer genom starka absorptioner vid specifika våglängder. Detta fenomen kallas optisk resonans av nanostrukturer, ett grundläggande fenomen inom optiken.

Optiska resonanser hos nanostrukturer mäts vanligtvis med hjälp av optiska spektrometrar. Genom att skapa ett supergrillande mönster av nanostrukturer, UAHuntsville-teamet gjorde superdiffraktionsgitter med nano-gitterstrukturer. Med super nano-galler, nanostrukturens resonans kan mätas med en fotodetektormatris. På det sättet, användningen av en optisk spektrometer behövs inte.

Nanostrukturerna, såsom nanohål eller nanoslitsar, tillverkas med hjälp av en hårt fokuserad elektronstråle, en teknik som kallas elektronstrålelitografi. Nanostrukturmönster ritades först med en dator och skickades sedan till elektronstrålelitografimaskinen för att kontrollera rörelsen av den hårt fokuserade elektronstrålen för att skriva nanohål eller andra nanostrukturmönster i ett tunt lager av speciell polymer som kallas e-beam resist.

Det e-beam-skrivna polymerskiktet utvecklas sedan så att nanostrukturmönstren präglas på det tunna polymerskiktet. Det mönstrade polymerskiktet fungerar som en mask och en argonjonetsningsprocess används för att överföra mönstret från polymerskiktet till den tunna metallfilmen under den. Denna enhet gjordes av Haisheng Leong, en forskarassistent vid UAHuntsville.

Supernano-gallret är en superperiod nanohålsuppsättning borrad i en tunn guldfilm på ett transparent glassubstrat. Tjockleken på guldfilmen är 60 nanometer och storleken på nanohålen är cirka 100 nanometer. De periodiska nanohålen i den tunna metallfilmen stödjer kollektiva fria elektronsvängningar, kallas ytplasmoner, i den nanostrukturerade metallen.

Supernano-gallret har rik fysik som behöver undersökas, sa doktor Guo. En tidning han skrivit och nyligen publicerat i Bokstäver i tillämpad fysik (vol. 101, 2012) försöker förklara resonanslägesdelningsfenomenet som observerats i supernanohålsgittret. Resonanslägesdelningen kan användas för att göra kemiska sensorer med bättre känslighet.

Spektrometersensorerna kan upptäcka gifter eller föroreningar i mycket små mängder. UAHuntsville har nyligen lämnat in ett patent för att licensiera den nya tekniken.

"Spektrometersensorer är bäst lämpade i applikationer som kräver liten storlek och vikt, " Dr. Guo sa. Sådana små och lätta sensorer kan vara användbara för NASAs rymdutforskningstillämpningar som att mäta den kemiska sammansättningen på Mars yta, han sa.