周期阵列系统支持纳米光子学应用

来自University of New Mexico (UNM)和Autonomous University of Madrid的一个研究小组构建了一个含有不同尺寸的纳米粒子的周期性阵列，而不是包含单一尺寸的纳米粒子的传统阵列，以产生所需颜色的相干光。

纳米光子的应用，如超灵敏的生物传感和纳米级激射，将取决于其对窄谱线波长的光响应。而具有周期性纳米阵列的系统能够对窄谱线的光产生足够的响应。研究小组的在这方面的研究实现了越来越窄的光响应。此外，这些光响应对缺陷更具有鲁棒性，尤其是在工艺过程中。 这使得这些阵列阵列和相应的光响应应更容易在实验室环境中构建和测试。

来自UNM Department of Physics and Astronomy理论纳米光子学组的Alejandro Manjavacas说：“晶格共振的强度和宽度取决于阵列中能够相互作用的纳米粒子的数量，工艺过程中的缺陷，如纳米粒子的大小变化和位置的偏移，会降低纳米粒子相互作用的能力，从而破坏晶格共振。对于只有一种尺寸的纳米粒子的晶格共振，这意味着需要数万甚至数十万个具有非常高精度粒子的位置，才能实现所需的光响应。我们发现通过在周期阵列中使用两种不同尺寸的纳米粒子，观察到相同强度和窄谱线响应所需的纳米粒子数量显著减少。对于我们研究的阵列，可能只需要几千个粒子。这使得它们的工艺过程更加容易，对纳米粒子的尺寸和位置的缺陷更加宽容。” 纳米阵列的鲁棒性以及对工艺缺陷的容忍度对于大规模生产也具有很好的前景。制造功能器件或系统所需的工艺标准不需要像当前的纳米阵列那样具有挑战性。

图1纳米光子的应用 将取决于其对窄谱线波长的光响应，这些与光反射和吸收的水平分别有着不同的关系，比如这项研究中展示的纳米粒子所示的光响应。University of New Mexico 供图

然而，Manjavacas说，在大规模生产以及商业化像生物传感器之类的应用之前，研发工作必须达到这样一个程度，就是团队能够设计出具有特定参数的阵列，可以对周围环境的介电特性做出敏感的光响应。纳米光子可应用于检测病毒和疾病，新的纳米阵列有可能提高测试的体积和准确性，例如分析人员目前正在使用的检测COVID-19的方法。研究人员说，这一发现还可用于检测病毒产生的抗体。下一步研究的内容是，充分研究周围环境如何改变其创建的纳米阵列，包括将不同材料放在纳米阵列的顶部和底部来评估其如何影响晶格共振的强度和光谱位置。Manjavacas说：“对于生物传感应用，我们希望这些阵列的光响应对微小的环境变化非常敏感，因为更多的敏感性意味着可以检测到浓度较小的病毒或化学物质。”

为了在生物传感中推广应用，团队成员的研发重点将集中在当纳米阵列被附近的点状源(原子、分子和/或量子点的简化模型)激发时如何做出响应。研究人员已经确定了其它纳米光子应用包括太阳能收集、高分辨率彩色印刷和纳米级光源的研发。

这项研究部分由National Science Foundation和Department of Energy Computational Science研究生奖学金赞助。西班牙的Ministry of Economy and Competitiveness，Ministry for Science and Innovation以及优秀研发部门项目“María de Maeztu” 项目也赞助了这项工作。这项研究发表在《ACS Nano》上面(www.doi.org/10.1021/acsnano.0c04795).