Desarrollo de un nuevo sensor molecular a escala chip

Muchas moléculas tales como las proteínas y farmacéuticas tienen una resonancia natural en la porción del infrarrojo medio (IR: 2 a 30 µm) del espectro electromagnético y ello propicia la necesidad de crear biosensores que usen fuentes mid-IR.

Lamentablemente hay una interacción de materia  ligera débil entre fuentes mid-IR y moléculas biológicas ya que la longitud de onda lasing es mucho mayor que el tamaño de las moléculas que se están probando.

Para superar esta dificultad, investigadores en Bio-inspired Sensors y Optoelectronics Lab están integrando nano antenas ópticas con láser en cascada cuántica que enfocan la luz a escala nanométrica y realzan fuertemente la intensidad próxima al campo.

Una aproximación híbrida

Muchos diseños de plasmonic nano-antenna usan todos los materiales metálicos; sin embargo el hybrid metal-dielectric-metal (MDM) plasmonic nano-antenna confina el modo dentro de un tamaño nanométrico de aproximadamente 500 nm – un realce de intensidad de campo próxima a 4X comparada a los diseños de todo metal.

Para optimizar el diseño de las nano-antenas MDM se usa finite-difference time-domain (FDTD) modeling software. Para fabricar la estructura se reviste la superficie de un QCL con arseniuro de galio Arsenio/indio con un sándwich MDM oro/dióxido de silicio/oro focused-ion-beam milling se usó para crear una estructura en la QCL front facet; con dimensiones nanorod aproximadamente de 2.0 µm x 200 nm.

En un diseño híbrido como MDM, hay dos ondas de plasmón superficial soportadas en dos interfaces entre el metal y el material dieléctrico. Al contrario que un diseño metálico simple, la interacción entre estas plasmones de superficies múltiples splits el degeneracy y produce modos simétricos y asimétricos. En una estructura nano-antena acoplada MDM con mayor complejidad geométrica, hay mayor hibridación entre los modos simétricos y asimétricos y ciertas frecuencias, que llevan a dos puntos brillantes observados en el experimento.

Bibliografía: Plasmonic antenna on QCL facet creates chip-scale molecular sensor. LaserFocusWorld October 2010