導(dǎo)讀：?據(jù)麥姆斯咨詢報道，新加坡國立大學(xué)（The National University of Singapore，NUS）的研究人員現(xiàn)已通過改進(jìn)型Sierpinski三角形，打造了一款可在中紅外波段運(yùn)行的分子傳感器。

利用分形技術(shù)設(shè)計微波和射頻天線，正變得越來越流行，這主要歸功于它們的“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(jù)麥姆斯咨詢報道，新加坡國立大學(xué)（The National University of Singapore，NUS）的研究人員現(xiàn)已通過改進(jìn)型Sierpinski三角形，打造了一款可在中紅外波段運(yùn)行的分子傳感器。該器件可用于分析如細(xì)胞和蛋白質(zhì)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(qiáng)烈交互作用的金屬納米結(jié)構(gòu)表面，傳導(dǎo)電子的量子化集體振蕩。這種強(qiáng)烈的交互作用使得等離子體能夠?qū)⒐饧械絹啿ㄩL，遠(yuǎn)低于光的衍射極限。此類應(yīng)用有很多：如亞衍射聚焦，透明金屬電極，提高光電效率，增強(qiáng)分子熒光等。

中紅外傳感中應(yīng)用的Sierpinski三角形

改進(jìn)型Sierpinski分形模型

在該研究中，新加坡國立大學(xué)（NUS）電子與計算機(jī)工程學(xué)院與智能傳感器和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(biāo)是研究這種分形結(jié)構(gòu)的特性，為中紅外傳感調(diào)整其尺寸。然后，我們?yōu)榱嗽谠摴庾V范圍內(nèi)極大地提高其傳感性能，想出了略微改進(jìn)模型的辦法?！?/p>

Sierpinski分形是一種具有內(nèi)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(guī)則”）重復(fù)出現(xiàn)。電磁結(jié)構(gòu)的自相似性對于縮小器件尺寸非常重要，因此就能實現(xiàn)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(jìn)了現(xiàn)有的分形模型。”

蝴蝶結(jié)納米結(jié)構(gòu)

Hasan補(bǔ)充道，Sierpinski分形特別適合與蝴蝶結(jié)納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合。這些結(jié)構(gòu)最擅長處理局部表面等離子體共振和增強(qiáng)光場，正是由于其尖端的“避雷針效應(yīng)”（lightning rod effect），讓它們充當(dāng)納米天線有著天然優(yōu)勢。這些天線具有“等離子體模式”，可調(diào)諧與附近分子的光學(xué)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(fā)出的光耦合，這就意味著它們可以被用作傳感器。

在如納米光刻、超低功耗光學(xué)捕獲及等離子體全息高密度數(shù)據(jù)存儲等許多高性能等離子體應(yīng)用中，Sierpinski分形已成為其中的關(guān)鍵元素。問題是，由于在分形元器件的連接處有幾何差異，因此很難制造出純粹的Sierpinski分形。更重要的是，以往制造的分形并沒有充分利用納米蝴蝶結(jié)的避雷針效應(yīng)。

無需分子功能化

Lee和Hasan目前利用先進(jìn)的電子束刻蝕技術(shù)（electron beam lithography）精確地調(diào)整了這些分形的幾何結(jié)構(gòu)。研究人員通過改進(jìn)其架構(gòu)，發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)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(jié)／分形圖案的避雷針效應(yīng)。

Hasan解釋道：“傳統(tǒng)的共振傳感主要集中在光譜的可見光波段。由于中紅外光波段是許多生物分子的吸收范圍，因此，我們研究了中紅外光譜范圍內(nèi)的傳感?！?/p>

探測這些分子的吸收情況，無需將生物分子功能化，這些分子就能被傳感器感測到。

新的研究方向：片上分子傳感器（on－chip molecule sensors）

Hasan補(bǔ)充道：“紅外感應(yīng)也能使我們更可靠地辨別生物系統(tǒng)中發(fā)生的相繼事件。我們所描述的多光譜分形平臺最終將允許在單一平臺上對各類分子進(jìn)行高通量多路復(fù)用檢測。這應(yīng)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(jìn)分形化，使寬波段和增強(qiáng)的光吸收成為可能，該技術(shù)在中紅外波長感知生物分子的應(yīng)用中很有前景。他補(bǔ)充道：“但這還不是全部，由于吸光‘熱點’數(shù)量的增加，增強(qiáng)的光物質(zhì)相互作用也使得該器件在光學(xué)范圍內(nèi)更加敏感。在這里，光可以有效地轉(zhuǎn)化為片上電子讀出，這將有助于中紅外傳感器克服其‘體積龐大’的主要限制?！?/p>

該團(tuán)隊將其工作成果發(fā)表在IOP 期刊平臺的Nano Futures期刊中。該團(tuán)隊表示，目前正忙于將該平臺與二維材料相集成，以制造片上分子傳感器。Hasan說：“我們正在積極研究各種二維材料的熱電性能?！?/p>