金崇君教授/沈杨副教授研究团队在微纳光学传感领域取得系列重要进展

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微纳光学传感器是一种利用微纳结构将待测物的感兴趣参数转化为光信号的器件。微纳光学结构可以将高能量的光信号局域在微纳尺度上，大大增强了光场与被测对象的相互作用，导致了光场的光学性质的剧烈改变，因此对被测微弱信号具有极高的响应灵敏度。为了提高微纳光学传感器的传感精度，需要引入有效的纳米光学场增强机制，提高光场与被测对象的耦合强度。近期，金崇君教授/沈杨副教授研究团队提出了基于模式耦合的光谱剪裁和光场调控策略以及全新的光散射传感机理，在提高微纳光学传感性能方面提供了若干新思路和新方法。
      1、超高Q值的表面等离激元折射率传感器
      由于具备超越衍射极限的光场局域增强效应，表面等离激元谐振（surface plasmon resonances, SPR）已经被应用在生物传感、超分辨成像、表面增强拉曼散射以及集成光子器件等领域。然而，由于金属纳米结构具有很高的本征损耗和辐射损耗，兼具高Q值和强局域场的表面等离激元谐振在实验上一直难以稳定获得，这已经成为表面等离激元器件（比如光学传感器、纳米激光器、量子光学、光镊等）实现商业化应用的最大障碍；同时光学微腔存在制备工艺重复性较差的问题，目前批量制备的光学微腔的谐振频率偏差普遍大于1 nm。
      近期，金崇君教授/沈杨副教授研究团队设计了一种超光滑（金膜表面粗糙度仅为0.45 nm）的一维金纳米槽阵列，利用该结构中的法布里-珀罗（Fabry–Pérot）模式—伍德异常（Wood’s anomaly）模式的相互作用，在正入射下实现了超窄线宽（~2 nm）和超高Q值（Q~350）的表面等离激元谐振（见图1）。该耦合模式谐振波长的批间样品标准误差仅为0.05 nm，表明其具有非常优异的制备重复性。该模式的传感品质因子高达284，是目前局域表面等离激元折射率传感器的世界纪录，同时有效克服了基于局域—传播耦合模的传感器需要在斜入射光探测系统下进行探测的不足，提升了传感器件小型化和集成化的可能性。另外，该传感器被进一步应用于探测不同碳链长度的巯基羧酸，其灵敏度达到0.18 nm/CH2, 表明这种超光滑一维金纳米槽阵列是一个非常有潜力应用于实际的无标记生物分子传感平台。

图1 利用一维金纳米槽阵列中的FP-WA耦合实现具备超窄线宽和高谐振强度的表面等离激元谐振

    相关研究成果以“Ultrasmooth Gold Nanogroove Arrays: Ultranarrow Plasmon Resonators with Linewidth down to 2 nm and Their Applications in Refractive Index Sensing”为题发表在Advanced Functional Materials上（DOI：10.1002/adfm.202108741）。中山大学材料科学与工程学院为论文唯一完成单位，沈杨副教授为论文的第一作者，金崇君教授为通讯作者。该研究工作受到国家自然科学基金，广州市珠江新星等项目的资助。
    论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202108741.


      2、基于表面等离激元—光学混合波导的湿度传感器
      商业化湿度传感器主要是通过监测湿敏元件在吸水或脱水过程中的电响应（即电阻、电容或电流变化）来实现传感。该方法灵敏度高、响应速度快，但它们往往无法在恶劣的环境中工作，也无法迅速从饱和状态恢复。与电传感器相比，光学传感器由于具有远程探测能力和抗电磁干扰能力，可以克服这些局限性。
      近期，金崇君教授/沈杨副教授研究团队研制了一种基于表面等离激元—光学混合波导的相对湿度光学传感芯片。该芯片由底层金光栅和上层湿敏材料聚乙烯醇（PVA）涂覆层组成。其原理在于PVA层吸收水分子之后，会发生体积膨胀和折射率降低两种效应，引起其反射谱的移动。通过检测谐振波长的移动或者光强的变化，从而实现对环境相对湿度的传感（图2）。

图2 表面等离激元—光学混合波导的相对湿度传感原理

      该传感器与商业化的高精度湿度传感器（Center 313, CENTER Technology Corp.）对环境相对湿度的监测曲线几乎完全一致，其湿度探测的分辨率达到0.02%RH，相比商业化电学湿度传感器高5倍，比传统的光学湿度传感器提高了至少一个数量级。此外，研究者还测试了该传感器在人不同呼吸频率下的响应性能，结果显示了正常和急促呼吸下对应的光强脉冲，表明该传感器可以作为一种高精度、快速响应的光学呼吸传感器应用于电学传感器失效的场景中，例如用于进行核磁共振成像和放疗的病人。
      相关研究成果以“Ultrasensitive Dual-Mode Humidity Detection Using a Plasmonic-Photonic Hybrid Waveguide”为题发表在Advanced Optical Materials 2021, 9, 2100166上。中山大学材料科学与工程学院为论文唯一完成单位，沈杨副教授为论文的第一作者，金崇君教授为通讯作者。该研究工作受到国家自然科学基金，广州市珠江新星等项目的资助。
      论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adom.202100166.


     3、受头足类动物变色启发的超灵敏气压传感器
      自然界中，头足类动物（例如鱿鱼、乌贼和八爪鱼等）可以通过色素细胞的收缩/舒张带来体表的颜色变化进行伪装，躲避捕食者。在军事上，数秒内就能与背景温度混为一体的热伪装系统能够帮助人们逃过敌人的红外热成像追踪。可见，设计一种材料或系统，使之对光的反射具有动态调谐功能，进而实现对其显色特性和热辐射特性的动态调控，具有非常重要的意义。
      近期，受到头足类动物变色的启发，金崇君教授/沈杨副教授研究团队提出了一种全新的基于表面形貌气动控制的动态反射系统（图3）。该动态反射系统由银膜/PDMS衬底双层膜组成，在较小的气压（4 KPa）驱动和极短的响应时间(200 ms)下，银膜从粗糙的漫反射态转化为光滑的镜面态，实现高达93的宽带（500-750 nm）光学反差调制。基于此动态反射系统，研究者研制出一种新型的基于“镜面—漫反射面转化”的超灵敏光学气压传感器，其灵敏度达到178 KPa-1，比传统的光学气压传感器提升3-4个数量级。

图3 基于光散射原理的气压传感器

      相关研究成果以“High-Contrast Dynamic Reflecting System Based on Pneumatic Micro/Nanoscale Surface Morphing”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces 2021, 13, 1988−1999上。中山大学材料科学与工程学院为论文唯一完成单位，沈杨副教授为论文的第一作者，金崇君教授为通讯作者。该研究工作受到国家自然科学基金，广州市珠江新星等项目的资助。
      论文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c19062.



         文章来源：中山大学
        金崇君，浙江临海市，中山大学教授。1997年在哈尔滨工业大学获博士学位。1997-1999年，中科院物理所光物理开放实验室博士后，出站留所，2000年被评为副研究员，从事光子晶体的理论、设计、制备和应用研究；2002-2005年底，在英国University Glasgow电子工程系任研究助理，从事纳微结构的光电子器件的设计、制备和测试研究；2005-2006年，在加拿大University of Toronto物理系和化学系从事光子晶体的理论和实验研究。2007年初，任中山大学 物理科学与工程技术学院 教授 博士生导师，为中山大学百人计划二类人才。欢迎对纳微光电子材料与器件感兴趣的高年级本科生到实验室从事研究实习。在Nature communications, Nano Letters, Advanced Functional Materials, Nanoscale, Applied Physics Letters, IEEE Journal of Quantum Electronics, Physical review B等国内外学术期刊上发表70余篇论文，被SCI论文他引1000余次。获授权专利8项。