- 微型傳感器在芯片上檢測化學物質的應用
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2016/8/29
當激光轟擊分子時，根據分子的結構和組成不同，分子會以各種波長的光子將激光的能量反射回來，這種現象稱為“拉曼散射”。據麥姆斯咨詢報道，為了使這種現象能發生在芯片上，康奈爾大學的科研人員向一根波導管發射激光（該波導管是一根由二氧化鈦制成的透明材料），激光會在波導管的內表面來回反射，從而被限制在波導管內。因為波導管的高度僅為幾個納米（幾十億分之一米），當激光從波導管中射出后，會在芯片表面產生所謂的“漸逝場（evanescent field）”。
泵浦激光器（pumping laser）能在芯片上方產生拉曼散射，或對放置在芯片表面的液滴進行分析，同時仍將光波限制在芯片上方。被激發態分子反射回來的光也將沿著波導管傳播，位于波導管末端的光柵可將反射光衍射為光譜，這些由不同分子產生的特定光譜，就像分子的“指紋”一樣，可以用來鑒定分子的結構和組成。
激光在納米尺寸的波導管中傳播，射出波導管后，可在芯片表面上方與被測分子產生相互作用。康奈爾大學材料科學與工程助理教授Jin Suntivich說：“在實驗室你想要使用一個化學傳感器很容易，但如果你在外面，想要一款能夠隨身攜帶的化學傳感器是很有挑戰的。我們想研發一種技術，能使化學傳感器小到足以適用于手機等電子產品，這樣你隨身攜帶的電子產品就可以持續地監視你周圍的世界，當你看到一些不尋常的東西時，傳感器會告訴你那是什么物質。”
以前使用氮化硅波導管制作過基于拉曼散射的傳感器。但是，康奈爾大學的科研人員提出采用二氧化鈦新材料來設計制作波導管，使傳感器更加靈敏，并且尺寸足夠小到可以適用于手機。康奈爾大學原子及固體物理學實驗室和納米科學Kavli研究所博士后研究員Christopher Evans說：“我們不是第一個利用拉曼散射原理制作化學傳感器的，但我們開發的化學傳感器是最好的。” Evans是該研究成果的第一作者，其論文發表于7月14日出版的網絡版《美國化學學會ACS光子學》雜志上，論文題名為：《有效整合瞬逝拉曼光譜的二氧化鈦納米光子傳感器》，共著者包括Suntivich和Chengyu Liu，Chengyu Liu是康奈爾大學應用及工程物理學院的博士研究生。
一個與直線波導管相切的環形波導管，可以使激光在環形波導管中不斷的循環，從而使激光與芯片上方的被測物質的相互作用時間更長。這個環型波導管的直徑大概和人類頭發絲的直徑差不多。二氧化鈦具有更高的折射率，可以使芯片上方的激光照射強度更高，創造出更強的漸逝場。該材料對于可見光波長是透明的，使科研人員能夠采用波長更短的可見光激光，這樣能夠產生更好的散射效果。
科研人員采用綠色激光筆作為測試光源進行了測試。對于未來的設備，一款微型激光單元可以嵌入芯片中，再利用一個組件將反射回來的光傳播到一款光敏器件上，讀取光譜信息。一種可能性是采用手機攝像頭來讀取光譜。泵浦激光與芯片上方材料的相互作用，隨激光波長的增加而增加。
Evans說：“我們已證明我們能夠將傳感器尺寸降低到人類頭發絲粗細的同時，將傳感器的峰值信號提高一個數量級（甚至更高）。” 該化學傳感器的潛在應用包括監測空氣和水質的便攜式傳感器，或實驗室的實地化學物質檢測等。化學家可以利用該傳感器同步觀察進行中的化學反應。
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