チップ上の化学的性質を測定できる小型センサ

天野研究室 - 低電力で高速処理が可能なプロセッサーを (七月 2019).

Anonim

コーネルの研究者は、フォトニックスのノウハウ(チップ上のナノスケール導波路の光線を操作する)と材料科学を組み合わせることで、小さなポータブルデバイスで実験室のサンプルを分析し、空気を監視するために使用できるチップ上に化学センサの基礎を築きました爆発物を検出する可能性さえある。

レーザーが分子に衝突すると、分子の構造と組成に依存するさまざまな波長の光の光子としてレーザーエネルギーを跳ね返すという現象をラマン散乱といいます。

この現象をチップ上で発生させるために、研究者らは導波路にレーザを発射する。この導波路は二酸化チタンからなる透明な材料のストリップであり、光は内面から跳ね返り、導波路に閉じ込められる。 導波路は数ナノメータ(10億分の1メートル)しかないので、光波は導波路を越えて広がり、チップの表面の上にいわゆる「エバネセント場」を作り出します。 ポンピングレーザは、チップ上の空間、または光波をチップに閉じ込めながら分析のためにその表面上に置かれた液滴中のラマン散乱を誘発することができる。 励起された分子によって蹴られた光も導波路に追従する。 導波路の端にあるプリズムは、その光を、それを生成した分子を識別する「指紋」であるスペクトルに広げることができる。

「研究室で化学センサーが必要な場合は、それは問題ではありません」と材料科学と工学の助教授、ジン・サンティヴィッチは述べています。 しかし、あなたが外にいるときには、化学センサーを見つけることが挑戦です。私たちは携帯電話のために十分小さい技術を開発したいと考えています。あなたが何か普通のことを見ると、センサーはそれが何であるかを伝えることができます。

ラマン散乱に基づくセンサは窒化ケイ素導波路を用いて以前に作られている。 コーネルの研究者は、新しい材料の二酸化チタンを使用することで、センサーをより敏感にし、現場で使用するのに十分なほど小型にすることができる設計を思いついた。

「私たちは初めてではありませんが、私たちは一番です」と原子スケール物理学研究所のKavliポスドク研究員であるChristopher Evansと、Nanoscale ScienceのコーネルのKavli研究所は述べています。 エバンスは、American Chemical SocietyジャーナルACS Photonicsの7月14日オンライン版に掲載された新しいアプローチを記述する論文の最初の著者です。 共著者は、応用物理学部の博士課程学生であるSuntivichとChengyu Liuです。

二酸化チタンは屈折率がはるかに高く、チップ上の空間とのコントラストが大きくなり、エバネセント場が強くなります。 この材料は、可視波長での光に対しても透明であり、より良い散乱を誘発するより短い可視波長でレーザーを使用することを可能にする条件である。 研究者らは、光源として緑色レーザーポインターを用いて試験した。

将来のデバイスでは、キックオフされた光の波長を感光デバイスに広げてスペクトルを読み取ることができるように、小さなレーザーユニットをチップに組み込むことができます。 1つの可能性は、カメラでスペクトルを電話機で読み取ることです。

ポンピングレーザとチップ上の材料との相互作用は、導波路の長さと共に増加する。 しかし、研究者はチップを大きくすることなく相互作用を増やす方法も提供している。 解決策は「リング共振器」です。 円形の導波管が直線ガイドに接するように設定されていると、光の一部がリングに入り、その周りを周回し続け、光がチップ上の材料と何度も連続して相互作用するようにします。 リングの周囲は、光の波長と共鳴するように調整することができ、効果を強化する。 「デバイスのフットプリントを人間の髪の毛の横断面にまで縮小すると同時に、センサーからのピーク信号の量を1桁(またはそれ以上)増加させることができることを示しました。

潜在的なアプリケーションには、空気や水質を監視したり、現場で実験室試験を行うためのポータブルセンサーがあります。 化学者は化学反応が起きている間に観察することができます。

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