中红外（mid-IR）光谱是一种多功能的分析工具，可通过红外振动指纹对材料进行无标记、无损识别。然而，其较小的红外消光截面对检测微量或低浓度的分子提出了挑战。为了克服这一限制，已开发出表面增强红外吸收（SEIRA）光谱。声子极化激元是由红外光与极性材料中晶格振动的强耦合形成的准粒子，可用于SEIRA光谱，甚至可用于与纳米级分子的振动强耦合。
据麦姆斯咨询报道，近日，西班牙巴斯克科学基金会Ikerbasque的研究人员开发了一种紧凑型片上声子SEIRA光谱平台，该平台基于金属分离栅极顶部的h-BN/石墨烯/h-BN异质结构，在石墨烯中形成p-n结。金属分离栅极聚集入射光并在异质结构中发射双曲声子极化激元（HPhP），该异质结构同时充当SEIRA衬底和室温红外探测器。相关研究成果以“On-chip phonon-enhanced IR near-field detection of molecular vibrations”为题发表在Nature Communications期刊上。
分子振动的片上声子SEIRA检测
为了阐明HPhP对片上分子振动光谱概念灵敏度的影响，研究人员计算了在没有HPhP的情况下石墨烯的吸收光谱。研究人员得出结论，HPhP不仅增强了绝对光电流，还增强了与探测器顶部分子层的分子振动共振相关的光电流特征。
HPhP对片上光谱概念灵敏度的影响
研究人员的工作表明，石墨烯分离栅极探测器p-n结上的近场（通过h-BN HPhP增强）可用于中红外片上声子SEIRA检测，可检测直接沉积在探测器顶部的波长尺寸的有机分子纳米薄层。观察到了光电流（PC）光谱在分子振动频率处的吸收峰，其比在标准远场FTIR透射实验中测量到的要强得多，证实了片上声子SEIRA检测对纳米薄分子层的灵敏度增强。数值模拟预测，当分子层的横向尺寸减小到深亚波长尺度时，与标准远场透射光谱相比，灵敏度将进一步显著提高。
极化增强近场光电流（PC）光谱与远场透射FTIR光谱
分子薄层亚波长尺度区域的理论灵敏度
研究人员注意到，片上SEIRA检测的灵敏度尚未达到利用氮制冷型碲镉汞（MCT）探测器的最先进的远场共振SEIRA实验的水平，其已经证明了约500个分子的灵敏度。这可以归因于使用了非共振分离栅极设计，分离栅极间隙中的HPhP共振与分子振动共振之间的不匹配，以及室温石墨烯分离栅极探测器与制冷型MCT探测器相比，灵敏度较低。未来对共振探测器件设计的优化可以显著提高灵敏度。这种优化包括调整h-BN层厚度、修改底栅极长度和微调分离栅极间隙尺寸。重要的是，这种石墨烯探测器的室温工作能力以及和CMOS的兼容性，代表了在环境条件下运行的紧凑型片上传感器的新进展。
未来，通过采用多种方法，片上声子SEIRA检测的适用性可扩展到更宽的频率范围和不同的分析物。一种方法是将不同的声子范德华（vdW）材料结合在异质结构中用于多光谱应用，每种材料在其Reststrahlen带（RB）都支持声子极化激元。此外，可以掺入SiC等常规3D材料的薄层。研究人员还设想在探测器的活性石墨烯层中利用等离子体激元，或者加入额外的石墨烯层。分子覆盖的探测器也可以用于PC近场光谱。此外，该探测器可以潜在地与透明微流控系统结合，用于水溶液中的生物传感。此外，用vdW材料制造的纳米级和Å级通道也可以集成在石墨烯p-n结上，以实现水性分子的片上传感。最后，研究人员设想在同一芯片上集成可调谐量子级联激光器，或者在组成探测器的各层中产生极化激元，这可能促进紧凑型、全片上声子SEIRA光谱器件的发展。
论文信息：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-53182-9
