据麦姆斯咨询报道，近日，加拿大阿尔伯塔大学（University of Alberta）电子与计算机工程系的Mitchell Semple和Ashwin K. Iyer在Scientific Reports期刊上发表了利用微型圆盘超表面的表面增强中红外吸收光谱技术的最新研究论文。这项研究工作是向低成本、更紧凑的片上集成气体传感器迈出的重要一步。
超表面（Metasurfaces，MTS）因其在亚波长尺度上操纵电磁波的能力而引起了人们的极大兴趣。超表面是由亚波长超原子（meta-atoms）组成的周期或准周期2D阵列，其中每个超原子都经过量身定做以表现出特定的电磁响应。通过适当的实施，超表面被设计用于多种应用，包括任意角度的光束重定向、偏振转换、完全完美吸收，以及其他更复杂的波前转换（如全息图和贝塞尔光束）。此外，当被放置在被测样品的近场时，超表面可实现亚衍射成像和放大、材料传感和表面增强光谱。
表面增强光谱技术是一种被广泛应用的无损化学分析和成像技术。然而，由于气体密度低且可变的吸收速率，因此难以使用表面增强红外吸收(SEIRA)光谱技术对其进行表征。尽管有可靠的非色散红外(Non-dispersive IR，NDIR)吸收方法，但是通过优化热点或添加功能化层来提高SEIRA光谱对气体的灵敏度有望降低成本和尺寸、提高选择性，并且能够创建微型的片上气体传感器。SEIRA光谱通常针对1500~500 cm⁻¹（6.67~20 μm波长）之间的红外（IR）光谱的化学指纹区域，其中每种材料都有一个独特的由激发分子结构中高阶振动状态的光子控制的吸收带指纹。
为了提高SEIRA光谱的信号增强效果，人们已经开发了各种各样的材料、制造方法和纳米粒子形状。然而，由于透明基底材料的稀缺性、较低的信号水平、昂贵的光源/探测器，以及在这些波长范围内利用等离子体谐振纳米粒子场增强技术的困难，长波长SEIRA光谱技术（超过700 cm⁻¹）发展得比较缓慢。
超原子通常由亚波长（微型化的）金属或电介质谐振器构成，可预测地散射入射光，因此为设计SEIRA光谱阵列提供了新技术。
近年来，基于超材料结构金属圆盘和光阑的超原子已被开发用于从微波区域到可见光区域的应用。将超材料结构的超原子缩放到在指纹区域工作，同时保持它们的强场增强和微型化，可显著提高SEIRA光谱测量的灵敏度，但复杂性略有增加。这可以使SEIRA光谱设备微型化，并且只需要更少的样品材料就能对测量结果进行精确分析。
二氧化碳（CO₂）检测是碳捕获系统中减少空气污染的关键步骤，在测量空气质量、检测肺功能以及量化工业和汽车排放方面也非常重要。CO₂通常在4.2 μm光谱附近被检测到，然而，该波长范围内还有许多通常在排气羽流中被发现的其他混杂物质（例如H₂O、O₃和CO），当波长分辨率或浓度较低时，这些物质可能会降低灵敏度。相反，该论文作者的目标是15 μm弯曲振动吸收带，该吸收带负责大部分由CO₂加热的大气，这在多光谱传感中有助于更好地区分CO₂和其他材料。该波长范围还可单独用于区分如二甲苯等芳香异构体。
在这篇论文中，作者提出了一种用于CO₂ 15 μm振动带的表面增强红外光谱的微型超表面晶胞。该晶胞由一个金圆盘组成，沿边缘布有图形化细小的间隙/线，由此创建一个谐振超材料结构。该设计通过将纳米等离子体间隙与弯曲电容器相结合来创建超材料结构。当它被适当调谐时，这种设计的平均场强比传统偶极子阵列提高了四倍以上。此外，超表面是微型化的，允许阵列元件紧密间隔而不损失场增强，谐振波长可以通过改变超表面元件的尺寸和/或特征尺寸来调谐。
研究人员利用电子束光刻（EBL）剥离工艺制造了原型。实验测量结果表明，所制造的在15 μm波长增强对CO₂吸收的超表面光谱与模拟设计的光谱非常匹配。此外，当CO₂通过表面时，由于吸收而产生的反射对比很明显。
未来的研究工作包括将超表面功能化以改善化学物质的吸收，将超表面器件与中红外光源集成，以及调节光束路径以与超表面产生更强烈的相互作用。
该论文的研究工作得到了加拿大自然科学和工程研究委员会（NSERC）、Alberta Innovates提供的资金支持。
论文信息：
Semple, M., Iyer, A.K. Surface-enhanced mid-infrared absorption spectroscopy using miniaturized-disc metasurface. Sci Rep 11, 23557 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41598-021-02984-8。
作者简介：
Ashwin K. Iyer于2009年在加拿大安大略省多伦多大学（University of Toronto）获得电气工程博士学位。同年秋天，他加入了阿尔伯塔大学电气和计算机工程系，现在拥有教授和副主席（本科生）的头衔。他领导着一个由优秀研究生组成的团队，在射频/微波/毫米波和天线工程的多个领域进行研究。他的研究重点是超材料现象的分析、表征和实验验证以及它们的应用。
