周期阵列系统助力纳米光子应用

2020年9月7日，新墨西哥州阿尔伯克基—来自新墨西哥大学(UNM)和马德里自治大学的研究小组利用包含不同尺寸纳米颗粒的周期阵列产生了具有特定颜色的相干光，这与传统只包含单一，均匀纳米颗粒的周期阵列不同。

纳米光子应用如超灵敏的生物传感和纳米激光的探测响应，取决于光谱上较狭窄的颜色或波长范围，而具有周期性阵列的系统可以捕获所需的窄光谱响应。该研究小组的应用则可以提供更加狭窄的光谱响应。此外，其对缺陷容忍度更大，尤其是在制备过程中，从而使阵列和相应的响应更易于在实验室环境中构建和测试。

UNM物理与天文学系理论纳米光子学小组的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。制备上的缺陷，比如纳米颗粒尺寸和位置的变化，削弱了这种相互作用，因此可能破坏晶格共振。这也意味着对于仅由一种尺寸的粒子组成的阵列，为了达到期望的光学响应，需要非常高精度地放置由数万甚至数十万粒子组成的阵列”。

“我们发现，通过在周期阵列中使用两种不同尺寸的纳米颗粒，可以显著减小产生相同强度和窄光谱响应的纳米颗粒的数量。使用我们研究的阵列，可能只需要几千个粒子。这使得它们的制备更加容易，并且更能容忍颗粒尺寸和位置的缺陷。”

阵列的鲁棒性和由此产生的对制备缺陷的容忍度也为大规模生产带来了希望。创建功能性设备或系统所必需的制备标准，不需要像现有阵列那样具有挑战性。

接收来自纳米光子应用的响应取决于一个狭窄的光波长范围，它与反射率和吸收率随波长变化有着不同的关系，由图中所研究的纳米粒子所示。图片由新墨西哥大学提供。

Manjavacas说，在开始大规模生产以用于生物传感领域之前，开发必须达到一个阶段，即团队必须能够设计出具有特定参数的阵列，以对周围环境的介电特性做出灵敏反应。

纳米光子应用可用于病毒和疾病的检测，而这种新型阵列可以增加检测量和准确性，例如分析人员目前正在进行的COVID-19检测。研究人员说，这一发现还可以用于检测病毒产生的抗体。充分理解周围环境如何改变他们创建的阵列，包括测量在阵列的顶部和底部放置不同的材料对晶格共振的强度和光谱的影响，将是他们下一步的工作。

Manjavacas说:“对于生物传感，我们希望阵列能够对环境中的微小变化做出非常敏感的反应，因为更高的灵敏度意味着可以检测到更小浓度的病毒或化学物质。”为了朝着在生物传感领域中的应用迈进，团队成员将他们的注意力集中在研究阵列被放置在其附近的点源(原子、分子和/或量子点的理想化模型)激发时的改变。另外，研究人员还发现其他纳米光子应用，包括太阳能收集、高分辨率彩色打印和纳米级光源的开发。