用于表面增强红外吸收光谱技术的超材料吸收器

韩国两家实验室的研究人员设计了一种基于超材料的吸收器件，可提高一种红外光谱技术的分子检测效率（文章见：Methods, doi: 10.1002/smtd.202100277）。

这种超材料吸收器就像一个纳米薄片，薄片上刻有四臂长度相等的十字纹路，能够加强表面增强红外吸收光谱技术（surface-enhanced infrared absorption, SEIRA，一种检测微量分子的技术）中目标分子的信号强度。

图1 韩国的研究人员设计了一种金制介电超材料，可提高表面增强红外吸收光谱（一种检测微量分子的红外光谱技术）的效率。最上方图：超材料吸收器顶部的扫描电镜图像，可见十字形天线。中间图片：超材料吸收器微观结构的渲染效果图。下方图：超材料吸波器的结构，包括10nm垂直纳米间隙和介电间隔材料。

痕量光谱学

韩国国立蔚山科学技术院电气工程系副教授、该研究的主要作者之一Jongwon Lee说，傅里叶变换红外光谱（FTIR）等传统方法无法检测到痕量分子的原因在于，在光谱红外区域中具有光谱特征的分子，吸收截面通常较低，因此FTIR需要相对大量的分子才能够进行光谱分析。

Lee说，在新发明的SEIRA方法中，经特殊设计的吸收器结构能够诱导高近场增强与目标分子的振动模式之间的耦合；在这一模式下，有效吸收截面被放大。因此，只需少量分子的存在就可进行光谱分析。

为了使SEIRA技术正常工作，光谱学家们已研究过各类纳米级间隙的吸收结构，以增强近场，但是“多数情况下，过程成本非常高，使得大面积图案和大规模生产无法实现，”Lee说。

确定合适的结构

Lee及国立蔚山科学技术院和韩国机械材料研究所的同事们设计了一种超材料吸收器，这种吸收器具有单元结构，由顶部的十字形金纳米天线、底部的金背板和厚达10纳米的二氧化硅间隔层组成。

尽管此前的研究均表明，只有厚达几十、几百纳米的介电间隔层才能实现对SEIRA信号的优化，但来自韩国机械材料研究所的Lee, Joo-Yun Jung及其团队在此次研究中发现，10纳米的间隙足以实现高近场强度。

Lee说：“这一配置中，垂直方向上的纳米间隙可以通过调节介质层厚度直接控制，与最近开发的使用电子束光刻等高成本工艺的SEIRA器件相比，是一个巨大的优势。此结构是使用纳米压印光刻技术加工形成，这使得低成本、大面积的图案刻蚀成为可能；垂直的纳米间隙由各向同性干蚀刻技术加工而成，进一步使得此结构的大规模生产成为可能。”

为了进一步提高SEIRA器件的传感效率，研究人员正在进一步对纳米级的多孔表面结构进行研究，以发明一种灵敏、紧凑的痕量材料传感器。