- 創造氫氣檢測靈敏度的世界紀錄，中國科學家開發等離子體氫氣傳感器，論文一作即將加入西湖大學
- 來源：DeepTech深科技 發表于 2022/11/22
從二本院校畢業生、到成為荷蘭埃因霍溫理工大學博士畢業生，柏萍走得不算特快，但卻步步扎實。正式戴上博士帽的前一周里，她迎來了“三連喜”：一篇論文被 Nature Communications 接收；另一篇論文被 Journal of Applied Physics 接收；以及收到了即將博士畢業的好消息。
圖 | 柏萍（來源：柏萍）
等離子體氫氣傳感器，是 Nature Communications 那篇論文的的研究對象。這種傳感器主要依賴于金屬納米顆粒中的光學共振。該類共振通常具有非常寬的光譜，所以傳統氫氣傳感器的檢測僅在百萬分之一。
然而，在實際生產生活中，有時還得保證安全。因此，我們需要更快速、更靈敏、更準確的氫氣傳感器, 以用于一些特殊場景。
例如，監測工程結構材料中是否存在氫損傷；觀察病人胃中是否存在由細菌感染產生的氫氣等。
綜上，如何通過優化傳感器的結構，從而大幅度提高其靈敏度，一直是光學等離子體傳感器的難點課題。
針對這一問題，柏萍使用逆向納米光子的設計方法，并結合人工智能設計出一種超靈敏等離子體氫氣傳感器。同時，該傳感器也基于鈀納米顆粒周期性陣列中的集體共振。
對于應用前景，她表示：“通過這篇論文的研究和發表，我非常有自信地說，基于粒子群算法的逆向納米光子學的設計優化方法非常強大，在和一些商業物理學軟件比如 Lumerical FDTD 和 COMSOL 仿真相結合后，可以潛在地應用到其他研究方向和應用領域中去。”
鑒于此次設計方法的普遍性，加之納米顆粒陣列窄光譜等離子表面晶格共振的特性，接下來會應用到不同光學或電子光學領域中去。
基于此，課題組還可繼續優化和研究不同種類的傳感器，比如表面生物分子傳感器、單波長輸入傳感器等。
（來源：Nature Communications）
測量敏感度達到十億分之一
具體來講，她和合作者先是設計了一個基本的傳感器結構，接下來通過建模把原始問題轉化成一個數學中的優化問題。使用粒子群優化算法來一步一步迭代，進而得到結構設計。
實驗證明，由該方法得到的傳感器，在測量敏感度達到了十億分之一，比傳統方法制備的傳感器高出 3 個數量級。“它不僅克服了光學傳感器的靈敏度瓶頸，而且是目前世界上測量到了低數量級的光學氫氣傳感器。”柏萍表示。
除了氫氣傳感之外，在此次工作中采用的逆向設計方法，也可以擴展到具有共振的表面功能化納米顆粒陣列。這些共振的存在價值之一在于，能通過折射率效應或化學界面阻尼，去吸附特定的氣體，從而實現低成本和超靈敏的傳感平臺。無論是家庭安全、還是城市空氣的污染檢測，本次成果都能施展本領。
（來源：Nature Communications）
近日，相關論文以《反設計等離子體超表面每十億分之一的光學氫偵查》（）為題發表在 Nature Communications 上。
圖 | 相關論文（來源：Nature Communications）
柏萍是共同作者，荷蘭阿姆斯特丹自由大學物理與天文學系的法瑞·安格羅·阿爾迪·努格羅霍（Ferry Anggoro Ardy Nugroho）博士擔任共同一作兼通訊，同樣來自該學院的安德里·巴爾迪（）教授擔任共同通訊作者。
另外兩位共同通訊作者還有：瑞典查爾姆斯理工大學教授約阿希姆·弗里切（）、以及荷蘭埃因霍溫科技大學應用物理系教授海梅·戈麥斯·里瓦斯（）。
其中一位審稿人同意覺得該研究是有趣的，因為它能潛在地用于設計其他的器件。“另一位審稿人更是用‘新穎，應該是一個重大貢獻’來評價。只有創新才能突破瓶頸。這項工作的創新之處就在于逆向設計方法，不僅能直接找出等離子體氫氣傳感器設計結構，而且能使傳感器靈敏度打破限度，達到一個新的高度，”柏萍表示。
創造目前氫氣檢測靈敏度的世界紀錄
回顧研究全程，柏萍表示在立項階段時，大家將該工作著眼于等離子體氫氣傳感器的研究現狀。由于金屬納米顆粒中的光學共振寬光譜特征的限制，在有光學損耗的鈀納米結構中氫會被吸收，這導致此前先進的檢測限度一直處在百萬分之一（ppm）的范圍內。
柏萍表示：“我們的合作者 Dr. Ferry Anggoro Ardy Nugroho 是氫氣傳感器方面的專家，曾在 Nature Materials 和 ACS Nano 等期刊中發表過相關論文。而對他們而言，突破等離子體氫氣傳感器的檢測限度始終是一個重大挑戰。”
在一次荷蘭物理學術會議（NWO Physics@Veldhoven 2018）中，柏萍的博導的前同事，對柏萍展出的海報特別感興趣。
在這個海報中，柏萍介紹了逆向設計優化方法-粒子群算法。因此這位教授回去后就讓他們課題組的博士后 Ferry 聯系柏萍商討合作事宜。
（來源：Nature Communications）
而在優化設計階段，則主要由柏萍執行。借助商用軟件 Lumerical FDTD 模擬器，她編寫了一套粒子群算法程序，能適用于鈀納米顆粒陣列的光學傳感器。
結合顆粒陣列中集體表面晶格共振的窄消光光譜特性，她和合作者以較大化傳感器的靈敏度為目的，優化了鈀納米顆粒陣列的各項幾何參數，比如顆粒直徑、高度、周期性陣列的晶格常數、以及覆蓋其上的過濾層厚度。
“非常有趣的是，我們的優化結果表明，氫氣傳感器的靈敏度不是僅由表面晶格共振的窄消光光譜 實現的，而是通過具有較窄光譜和納米顆粒之內的、足夠大的場增強之間的平衡陣列來實現的。這個發現使我們對等離子體光學傳感器的機理有了新的理解。”柏萍表示。
在制備和測試階段，瑞典查爾姆斯理工大學的合作方承擔了主要工作，他們采用電子束光刻、熱蒸發、電子束蒸發、濕化學蝕刻、反應離子蝕刻、剝離和切割等技術，制備出了優化后的鈀顆粒周期性陣列樣品。
隨后送往阿姆斯特丹自由大學合作方 教授實驗室進行光學色散測試和氫靈敏度測試。“效果非常驚人，測量的氫檢測限度達到十億分之一（ppb），遠遠超越了原有的檢測限度，創造了目前氫氣檢測靈敏度世界紀錄。”柏萍說。
接下來，大家開始撰寫論文初稿，主要內容包括鈀顆粒陣列中集體表面晶格共振的研究、幾何參數對靈敏度的影響、粒子群優化設計和效果評估、對樣品測試結果的分析等。2021 年底，他們向 Nature Communications 提交論文初稿，并順利經過編輯的初審，隨后送專家審閱。
2022 年春節前后，研究團隊收到了審稿人反饋的意見。據柏萍回憶：“其中比較重要的一個評審意見是我們的氫氣傳感器是否可靠。因為此傳感靈敏度依賴于氫的濃度，而我們的樣品是暴露在氫濃度逐漸降低的環境中，從而實現對低濃度氫的檢測。”
針對這一疑問，她和合作者公開了傳感器暴露于三個周期的、由高到低氫濃度的測量數據。結果顯示即使在低濃度下，該傳感器的響應也是可重復的。
審稿人的另一個問題，則是質疑氫氣傳感器的實際應用性。對于氫氣傳感器來說，絕大部分的應用是在檢測大氣中的氫氣，而柏萍等人的測試完全以干氬氣作為背景氣體完成。
針對這一問題，他們在論文修改稿中新增了對于其中一個實驗的介紹，即在空氣中測試等離子體氫傳感器，以此來驗證它在現實氣體環境中的適用性。幸運的是，測量響應光譜和在干氬氣中測量的幾乎一致。論文在 2022 年初秋順利發表。
說到這里，柏萍感慨道：“研究的三大主要步驟：設計優化、樣品制備和樣品測試，分別由三個組完成。雖然我們有各自的分工合作，但也在彼此學習。比如在樣品制備時，我曾親身進入超凈間目睹制備的過程并核實樣品的幾何參數。樣品測試后，也參與分析實驗結果，和模擬數據對應起來分析。這些寶貴的經歷，將是我一生的財富。”
（來源：Nature Communications）
已從荷蘭回國，即將加入西湖大學做博后
如前所述，在柏萍博士論文畢業答辯的那一周里，除了收到了這篇論文的正式接收郵件外，還收到了另一篇論文被接收的郵件。
她說：“我另一篇將被發表在 JAP（Journal of Applied Physics）的論文，將類似的逆向納米光子設計方法，用在了有機太陽能電池上。2022 年 9 月 19 號到 9 月 23 號那一周里，有三件我永遠記得的大事：周一被告知本論文被 Nature Communications 正式接收，周三收到另一手稿被 JAP 接收 發表， 周五我結束了 4 年的博士生涯，完成了博士論文答辯儀 式。伴隨著驚喜、緊張和興奮的心情，從 此我便結束博士研究階段，正式被授權使用博士頭銜。”
而說到求學經歷，柏萍自認為算是比較坎坷的。她說自己并不是那種從小就特別聰明的孩子。靠著滿腔熱血和一顆追求上進的心，從齊魯工業大學畢業后，其于 2013 年考入蘇州大學物理學專業讀研。
碩士期間，她曾有幸兩度前往沙特阿拉伯國王科技大學訪問學習，在教授和教授的共同指導下，從事新型光學和聲學吸收系統的理論與設計研究，以作者身份發表了 3 篇學術論文。
之后，又于 2017 年獲得國家公派留學資格的資助，前往荷蘭進行博士學習。幾經輾轉， 于 2018 年 10 月加入埃因霍溫理工大學應用物理系 教授課題組開始表面納米光子學的研究。
目前，柏萍已經離開荷蘭回到國內，并接到了西湖大學的博士后 offer, 計劃于 2022 年 12 月入職西湖大學工學院 PI博士團隊，開始拓撲納米光子的科研工作。
參考資料：
1.Nugroho, F.A.A., Bai, P., Darmadi, I. et al. Inverse designed plasmonic metasurface with parts per billion optical hydrogen detection. Nat Commun 13, 5737 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-33466-8
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