Kutatási fázisban: kémiai érzékelő akár mobiltelefonokba is

A Raman-szóródás elve és egy új anyag felhasználásával a Cornell University kutatói olyan csipméretű kémiai szenzoron dolgoznak, amely a kémiai anyagok érzékelésével akár az okostelefonok funkcióit is kiterjeszthetné egy eddig „járatlan” területre. „Ha egy laboratóriumban van szükségünk kémiai érzékelőkre, nincs probléma” – állítja Jin Suntivich, az egyetem anyagtudományi tanszékének docense – „de hogy ezt kivihessük a laborból, az már komoly kihívás”.

A Suntivich és társai által fejlesztett szenzor elég kicsi lesz ahhoz, hogy a személyi elektronikai eszközök része lehessen, és az eképpen „felokosított” okostelefon állandóan figyelheti a környezet állapotát körülöttünk. Ehhez – a kutatók megközelítése szerint – kombinálni kell a fotonikát (a nanoméretű hullámvezetőkkel manipulált fénysugarak technikáját) az anyagtudományokkal, és a team már reálisnak látja egy csipméretű kémiai szenzor lehetőségét. A működés fizikai alapja a Raman-szóródás, melynek lényege, hogy egy anyag molékuláit lézerrel megvilágítva a molekulaszerkezettől függően különböző hullámhosszúságú fotonok verődnek vissza. De hogy lehet ezt csipre integrálni? A kutatók lézerrel lőnek egy átlátszó szalagra, amelynek belső felületeiről visszaverődik a fény, és így optikai hullámvezetőt alkot. Mivel azonban vastagsága csak néhány nanométer, az ennél nagyobb hullámhosszú fényhullám „túlterjeszkedik” annak határfelületein, létrehozva a csip felülete felett egy, a kutatók által „illanó térnek” (evanescent field) nevezett zónát. A gerjesztő lézer fotonjai Raman-szóródást szenvednek a csipfelület feletti gázban, vagy akár egy cseppnyi ráhelyezett folyadékban. A gerjesztett molekulák által visszavert lézerfotonok is követik az optikai hullámvezetőt, amelynek vége prizmaszerűen van kialakítva. A hullámvezetőből kilépő spektrum alkalmas a vizsgált közeg kémiai azonosítására.

Új anyag

Az eddig ismertetett szenzor nem új, már léteznek ilyen kémiai elemzőkészülékek szilícium-nitrid hullámvezetőkkel. A Cornell kutatóinak innovációja, hogy a hullámvezetőt egy eddig ilyen célra nem használt anyagból, titánium-dioxidból készítik.Ezáltal a szenzor érzékenyebbé válik, és alkalmas arra, hogy a terepi használathoz is elég kicsi szenzort készítsenek belőle. A TiO₂ azért alkalmasabb az eddig használt anyagoknál, mert nagyobb a törésmutatója, az „elillant” fény kontrasztosabban látszik a csipfelület felett. A TiO₂ átlátszó a látható fény tartományában, ami lehetővé teszi a korábbi infravörösnél rövidebb hullámhosszú, látható fényű lézer alkalmazását. Ez jobban szóródik a vizsgált molekulákon. A kutatók első kísérleteikhez egy egyszerű, zöld fényű lézermutatót használtak. A pumpálólézer fénye és a csipfelület feletti anyag molekulái közti kölcsönhatás annál nagyobb, minél hosszabb a hullámvezető. A kutatók találtak egy módszert a hosszúság „virtuális” növelésére azáltal, hogy a hullámvezetőt egy kb. 50 µm átmérőjű zárt körpályaként, „gyűrűrezonátorként” alakították ki. Ha ez egyenes hullámvezetővel érintkezik, az érintési ponton némi fény a gyűrűbe is átjut, majd abban keringve a gyűrű kerületének sokszorosát teszi meg, folytonos kölcsönhatásban a csip felszínével érintkező vizsgált anyaggal. A gyűrű kerületét úgy célszerű megválasztani, hogy a gerjesztőfény hullámhosszának egész számú többszöröse legyen, és ez az optikai rezonancia erősíti a kémiai érzékelést megvalósító fizikai hatást. A kutatók a terv szerint a lézert is a csipre integrálják, a gyűrűből kilépő fény spektrumát pedig egy ugyancsak integrált fotoszenzorral olvassák le. Erre még egy okostelefon-kamera is alkalmas.

(forrás: EETAsia.com)