導(dǎo)讀：?據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，新加坡國(guó)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(jì)微波和射頻天線，正變得越來越流行，這主要?dú)w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(bào)道，新加坡國(guó)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(zhǎng)，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(guó)立大學(xué)（NUS）電子與計(jì)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。”

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(duì)于縮小器件尺寸非常重要，因此就能實(shí)現(xiàn)將光聚焦在特定頻率上。Hasan說：“研究中，我們?cè)诓黄茐钠渥韵嗨菩缘那疤嵯拢晕⒏倪M(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(zhǎng)處理局部表面等離子體共振和增強(qiáng)光場(chǎng)，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(shì)。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(chǔ)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(chǎng)（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。”

探測(cè)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(cè)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(tái)最終將允許在單一平臺(tái)上對(duì)各類分子進(jìn)行高通量多路復(fù)用檢測(cè)。這應(yīng)該能夠在多個(gè)感興趣的波長(zhǎng)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(zhǎng)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(diǎn)’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。”

該團(tuán)隊(duì)將其工作成果發(fā)表在IOP 期刊平臺(tái)的Nano Futures期刊中。該團(tuán)隊(duì)表示，目前正忙于將該平臺(tái)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。”