2D材料の新奇な光線を使用して分子を検出する新しいオンチップデバイス

December, 3, 2024, Barcelona--ICFO研究者たちは、赤外線振動の「指紋」を介して分子を識別するための高感度検出器を開した。
Nature Communications に掲載されたこの革新的な検出器は、入射赤外光を検出器の活動領域内のフォノンポラリトンの形でウルトラコンファインド(超閉込め)「ナノライト」に変換する。このメカニズムは、検出器全体の感度を向上させるとともに、検出器の上部に配置されたナノメートルの薄い分子層の振動フィンガープリントを強化することで、この分子フィンガープリントをより簡単に検出・解析できるようにするという2つの重要な目的を果たす。

このデバイスのコンパクトな設計と室温での動作は、分子およびガスセンシングアプリケーション向けの超小型プラットフォームの開発に有望である。

分子には、ある種のフィンガープリント、つまりそれらを区別するために使用できる独自の特徴がある。各タイプの分子は、適切な光で照らされると、特徴的な周波数(通常は赤外線周波数で発生する共振周波数)と強度で振動する。人間の指紋でできることと同様に、この情報を利用して、様々な種類の分子やガスを互いに区別できる。また、犯罪者ではなく、有毒で危険な物質やガスを特定することで、潜在的な危険からわれわれを守ることもできる。

従来のアプローチの1つは、赤外線指紋分光法であり、赤外線反射または透過スペクトルを使用して様々な分子を識別する。しかし、有機分子は赤外波長に比べてサイズが小さいため、散乱信号が弱くなり、少量の物質を検出するのが難しくなる。近年、この制限は、表面増強赤外吸収(SEIRA)分光法を使用して対処されている。SEIRA分光法は、粗い金属表面や金属ナノ構造によって提供される赤外線近接場強化を利用して、分子振動信号を増幅する。SEIRA分光法の主な利点は、微量の材料量を測定し、研究する能力。

近年、フォノンポラリトン(電磁波と原子格子振動の結合励起)、特に六方晶窒化ホウ素(h-BN)の薄層にある双曲線フォノンポラリトンが、SEIRA分光法の感度向上の有望な候補として浮上している。「これまでに、フォノンポラリトンは、その長寿命と超高磁場閉じ込めにより、ナノメートルの薄い分子層のSEIRA分光法やガスセンシングに適用できることを実証した」とNanoguneのRainer Hillenbrand教授は説明している。

しかし、SEIRA分光法は依然として遠方場技術であり、光源、SEIRA基板、通常は窒素冷却赤外線検出器などのかさばる機器が必要になる。このように大型機器に依存しているため、小型化やオンチップアプリケーションの可能性が制限されている。同時に、「われわれは室温で動作するグラフェンベースの赤外線検出器を調査しており、フォノンポラリトンが電気的に検出され、検出器の感度を向上させることが可能であることを示した」とICFOのFrank Koppens教授は付け加えている。

この2つの進歩を組み合わせることで、研究者チームは、分子振動のオンチップフォノニックSEIRA検出の実証を初めて成功させた。この結果は、NanoguneとICFOの研究者の共同実験努力と、Donostia国際物理学センタのDr.Alexey Nikitinとアラゴンナノシエンシア・イ・マテリアルズ・デ・アラゴン研究所(CSIC-Universidad de Zaragoza)のLuis Martín-Moreno教授のグループからの理論的支援によって可能になった。研究チームは、超閉じ込めHPhPを使用して、グラフェンベースの検出器の光電流内でナノメートルの薄い分子層の分子フィンガープリントを直接検出し、従来のかさばるIR検出器の必要性を排除した。

「このアプローチの最もエキサイティングな側面の1つは、このグラフェンベースの検出器が小型化への道を開くことだ」とICFOの研究者、Dr. Sebastián Castillaはコメントしている。「この検出器をマイクロ流体チャネルと統合することで、小さな液体サンプル中の特定の分子を識別できる真の「lab-on-a-chip」を作成することができ、医療診断と環境モニタリングへの道を開くことができた。」

長期的な視点では、Nanoguneの研究者であり、この研究の筆頭著者であるDr.Andrei Bylinkinは、「室温で動作するオンチップ赤外線検出器により、迅速な分子同定が可能になり、スマートフォンやウェアラブル電子機器に統合できる可能性がある」と考えている。さらに同氏は、「これは、コンパクトで高感度な室温赤外分光法のプラットフォームを提供する」と考えている。