研究人員利用改進型Sierpinski三角形打造高性能中紅外感測器

中紅外感測中應用的Sierpinski三角形

利用分形技術設計微波和射頻天線，正變得越來越流行，這主要歸功於它們的「自相似性（self-similarity）」，該特性使得天線能夠更好地收集和聚焦寬波段、多頻光。據麥姆斯諮詢報道，新加坡國立大學（The National University of Singapore，NUS）的研究人員現已通過改進型Sierpinski三角形，打造了一款可在中紅外波段運行的分子感測器。該器件可用於分析如細胞和蛋白質單分子等各類生物元素的指紋。

研究人員最近開始利用分形圖案來操縱表面等離子體，這些表面等離子體是在與光強烈交互作用的金屬納米結構表面，傳導電子的量子化集體振蕩。這種強烈的交互作用使得等離子體能夠將光集中到亞波長，遠低於光的衍射極限。此類應用有很多：如亞衍射聚焦，透明金屬電極，提高光電效率，增強分子熒光等。

改進型Sierpinski分形模型

在該研究中，新加坡國立大學（NUS）電子與計算機工程學院與智能感測器和MEMS中心的研究員Chengkuo Lee和 Dihan Hasan研究了由金和鉻（Cr）組成的Sierpinski分形模型。

Hasan解釋道：「我們最初的目標是研究這種分形結構的特性，為中紅外感測調整其尺寸。然後，我們為了在該光譜範圍內極大地提高其感測性能，想出了略微改進模型的辦法。」

Sierpinski分形是一種具有內在「自相似性」的等邊三角形的分形，也就是說，它組成的三角形能以更小的尺寸（或「規則」）重複出現。電磁結構的自相似性對於縮小器件尺寸非常重要，因此就能實現將光聚焦在特定頻率上。Hasan說：「研究中，我們在不破壞其自相似性的前提下，稍微改進了現有的分形模型。」

蝴蝶結納米結構

Hasan補充道，Sierpinski分形特別適合與蝴蝶結納米結構相結合。這些結構最擅長處理局部表面等離子體共振和增強光場，正是由於其尖端的「避雷針效應」（lightning rod effect），讓它們充當納米天線有著天然優勢。這些天線具有「等離子體模式」，可調諧與附近分子的光學躍遷共振。正是這些等離子體模式增加了相鄰分子與天線發出的光耦合，這就意味著它們可以被用作感測器。

在如納米光刻、超低功耗光學捕獲及等離子體全息高密度數據存儲等許多高性能等離子體應用中，Sierpinski分形已成為其中的關鍵元素。問題是，由於在分形元器件的連接處有幾何差異，因此很難製造出純粹的Sierpinski分形。更重要的是，以往製造的分形並沒有充分利用納米蝴蝶結的避雷針效應。

無需分子功能化

Lee和Hasan目前利用先進的電子束刻蝕技術（electron beam lithography）精確地調整了這些分形的幾何結構。研究人員通過改進其架構，發現這種結構可以增強中紅外波段的光場（3000到8000 nm）。這些元器件的排列方式也能最大限度地提高納米蝴蝶結/分形圖案的避雷針效應。

Hasan解釋道：「傳統的共振感測主要集中在光譜的可見光波段。由於中紅外光波段是許多生物分子的吸收範圍，因此，我們研究了中紅外光譜範圍內的感測。」

探測這些分子的吸收情況，無需將生物分子功能化，這些分子就能被感測器感測到。

新的研究方向：片上分子感測器（on-chip molecule sensors）

Hasan補充道：「紅外感應也能使我們更可靠地辨別生物系統中發生的相繼事件。我們所描述的多光譜分形平台最終將允許在單一平台上對各類分子進行高通量多路復用檢測。這應該能夠在多個感興趣的波長上，提高成像的信噪比。」

Hasan稱：通過改進分形化，使寬波段和增強的光吸收成為可能，該技術在中紅外波長感知生物分子的應用中很有前景。他補充道：「但這還不是全部，由於吸光『熱點』數量的增加，增強的光物質相互作用也使得該器件在光學範圍內更加敏感。在這裡，光可以有效地轉化為片上電子讀出，這將有助於中紅外感測器克服其『體積龐大』的主要限制。」

該團隊將其工作成果發表在IOP 期刊平台的Nano Futures期刊中，文章網址：//iopscience.iop.org/article/10.1088/2399-1984/aabe00。該團隊表示，目前正忙於將該平台與二維材料相集成，以製造片上分子感測器。Hasan說：「我們正在積極研究各種二維材料的熱電性能。」

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