(Links) SEM-beeld van de metamateriaalabsorbeerder ontwikkeld door KIMM en UNIST. Bovenaanzicht toont kruisvormige antenne. (Midden) Zijaanzicht van de microstructuur van de metamateriaalabsorbeerder ontwikkeld door KIMM en UNIST. (Rechts) Structuur van de metamateriaal absorber ontwikkeld door KIMM en UNIST. Figuur toont 10 nm verticale nanogaps. Krediet: het Korea Institute of Machinery and Materials (KIMM)
Een lokaal onderzoeksteam, bestaande uit leden van het Korea Institute of Machinery and Materials (KIMM) onder het ministerie van Wetenschap en ICT en UNIST, ontwikkelde een metamateriaalabsorbeerder die de detectie van schadelijke stoffen of biomoleculen aanzienlijk verbetert, en publiceerde hun resultaten in Kleine methoden.
Het gezamenlijke onderzoeksteam onder leiding van hoofdonderzoeker Dr. Joo-Yun Jung van de Nano-Convergence Mechanical Systems Research Division van KIMM en professor Jongwon Lee van UNIST ontwikkelde een metamateriaal dat infraroodabsorptiespectroscopie verbetert door 100-voudige versterking van detectiesignalen. Het voorgestelde metamateriaal is een speciaal functioneel materiaal met verticale nanogaps die kleiner zijn dan de infrarode golflengte.
Infraroodspectroscopie is een techniek die componenten identificeert op basis van patronen van gereflecteerd licht door de eigenschappen van moleculen te meten om infrarood van hun intrinsieke frequenties te absorberen. Als slechts kleine sporen van de doelstof worden gedetecteerd, zullen de resultaten niet zo significant zijn vanwege het kleine verschil in lichtintensiteit.
Het voorgestelde metamateriaal verzamelt en geeft lichtenergie tegelijk af, waardoor een grotere lichtintensiteit wordt opgewekt die door moleculen kan worden geabsorbeerd. De versterkte signalen maken het mogelijk om duidelijkere resultaten te verkrijgen, zelfs bij het werken met kleine sporen van stoffen.
(Links) De grafieken tonen de gemeten reflectiespectra van de metamateriaalabsorbeerder ontwikkeld door KIMM en UNIST. Van boven naar beneden zijn de verticale nanogaps 30, 15 en 10 nm. De zwarte lijn geeft de reflectiespectra weer van de metamateriaalabsorbeerder vóór ODT-coating en de rode lijn toont de reflectiespectra na ODT-coating. De mate van verzakking van de twee lijnen is de hoeveelheid opgevangen licht (= geabsorbeerde energie = lagere reflectie). De rode lijn die de reflectie na ODT-coating weergeeft, stijgt wanneer de golflengte tussen 3,4 en 3,5 ligt, wat wijst op signaalversterking. Als er geen signalen worden gedetecteerd, moet de grafiek dezelfde zijn als die van de blauwe lijn. Het verschil tussen de twee waarden is ongeveer 36%. (Rechts) Gedetecteerde signaalspectra van de metamateriaalabsorber ontwikkeld door KIMM en UNIST. Krediet: het Korea Institute of Machinery and Materials (KIMM)
Kruisvormige nanoantennes werden gevormd in een metaal-isolator-metaalconfiguratie. De middelste isolerende laag had een dikte van 10 nm; verticale openingen werden gebruikt om de lichtabsorptie door moleculen te maximaliseren.
Inyong Hwang, een onderzoeker van de afdeling Elektrotechniek van UNIST, zei: “Het voorgestelde metamateriaal bereikte een recordverschil van 36% in onze demonstratie op een monolaag met een dikte van 2,8 nm. Dit is het beste record dat tot nu toe is bereikt onder monolaagdetectie-experimenten.”
Het voorgestelde metamateriaal kan gemakkelijk in massa worden geproduceerd en biedt goedkope fabricage. Hoewel lithografie met hoge resolutie nodig was om microstructuren op metamateriaaloppervlakken te vormen, vertrouwt het SEIRA-platform van het team op meer betaalbare nano-imprintlithografie en droog-etsprocessen.
Dr. Joo-Yun Jung, hoofdonderzoeker van KIMM, zei: “Met behulp van het nano-imprintproces kunnen we metamaterialen verkrijgen in de metaal-isolator-metaalconfiguratie en deze verwerken tot gewenste patronen. Bovendien maakt het droge etsproces het mogelijk massaproductie van microgestructureerde metamaterialen.”
Professor Jongwon Lee van UNIST zei: “Onze studie is de eerste die verbetering van het nabije veld induceert en blootstelling in het nabije veld oplost met behulp van verticale gaten. De techniek zal naar verwachting grote toepassingen hebben, vooral voor infraroodsensoren die worden gebruikt bij de detectie van biomoleculen, schadelijke stoffen en gassen.”
Inyong Hwang et al, ultragevoelige molecuuldetectie op basis van infrarood metamateriaalabsorber met verticale nanogap, Kleine methoden (2021). DOI: 10.1002/smtd.202100277
Geleverd door de National Research Council of Science & Technology