石墨烯异质结构强化红外光谱！

【研究背景】

随着中红外光谱技术的发展，非破坏性和无标记的材料识别日益受到关注。尤其是在材料的红外振动指纹分析中，表面增强红外吸收（SEIRA）光谱因其能够显著提高灵敏度而成为一个重要的研究方向。SEIRA光谱利用特定基底增强红外场，从而检测微量分子，但目前的技术仍然面临小红外消光截面对低浓度分子的检测能力不足的问题。

声子极化子作为红外光与晶格振动强耦合的准粒子，提供了一种新的思路。尤其是在极性材料中，声子极化子展现出长寿命与超小波长的优良特性，适合用于SEIRA光谱。然而，现有声子SEIRA技术在远场消光测量中效率较低，难以实现有效的信号转换。此外，常规的检测器面积较大，限制了其在实际应用中的便携性和集成度。

为了解决这些问题，科学家们尝试利用氮化硼（h-BN）等二维材料中的超高波长声子极化子（HPhPs）进行声子SEIRA光谱的检测。研究表明，HPhPs能够提供高场约束与增强的光电流响应，但如何有效地将其应用于实际检测仍然是一个挑战。为此，西班牙CIC nanoGUNE BRTA and EHU/UPV的 Rainer Hillenbrand等研究者们开发了一种基于h-BN/石墨烯/h-BN异质结构的新型紧凑型芯片声子SEIRA光谱平台，通过金属分裂栅集中入射光并激发HPhPs。

研究表明，随着分子层厚度的减小，灵敏度得以显著提高，显示出超越传统光谱技术的潜力。最终，作者的工作为芯片上声子SEIRA传感器的开发提供了新的思路，展现出在分子与气体检测中的广泛应用前景。

【表征解读】

本文通过先进的傅里叶变换红外光谱（FTIR）和近场光谱技术，深入探讨了基于h-BN/石墨烯异质结构的声子增强红外吸收（SEIRA）检测的特性。通过这些表征手段，作者发现了在微纳米尺度下，分子层的红外响应显著增强，从而揭示了h-BN的声子极化子在提升红外灵敏度中的关键作用。

针对在常规SEIRA实验中观察到的灵敏度不足现象，作者结合数值模拟与实验表征，深入分析了分子振动与声子极化子的相互作用。通过对不同厚度h-BN层及其与石墨烯的结合结构进行微观机理的表征，作者获得了关于红外吸收特性的重要数据。这些研究揭示了分子层的厚度和分裂栅几何形状对声子极化子共振特性的影响，进而挖掘了优化检测灵敏度的潜在策略。

在此基础上，本文利用电子束光刻（EBL）和原子力显微镜（AFM）等表征手段，制备了具有特定结构的石墨烯分裂栅探测器。通过对探测器的电学特性和光电流（PC）响应进行系统的测量，结果表明，当分子层的横向尺寸缩小至深亚波长尺度时，红外响应的灵敏度有显著提高。特别是在10纳米厚的有机分子层上，检测到的光电流谱线在分子振动频率上显示出明显的吸收特征，验证了作者设计的有效性。

通过FTIR和近场光谱的结合使用，作者进一步深化了对分子层与声子极化子之间相互作用的理解。这种结合不仅提高了实验的灵敏度，还为多种分子材料的表征提供了新的方法。在探索不同声子极化子材料的多谱段应用方面，本文提出了多种可能的组合，进一步拓展了SEIRA技术的应用前景。

总之，经过深入的表征与分析，本文揭示了h-BN/石墨烯异质结构在声子增强红外吸收中的重要作用，成功制备了高灵敏度的红外探测器。这一研究不仅推动了对纳米尺度下分子检测的理解，也为未来在生物传感器和环境监测等领域的应用提供了新的材料和技术支持，从而推动了光电探测技术的进步。

芯片上声子SEIRA检测分子振动

参考文献：Bylinkin, A., Castilla, S., Slipchenko, T.M. et al. On-chip phonon-enhanced IR near-field detection of molecular vibrations. Nat Commun 15, 8907 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53182-9