大多数化学品在中红外光谱范围内具有明显的吸收特征峰。光谱分析提供了一种高灵敏度和选择性的化学检测方法。微型中红外光谱分析仪作为便携式设备在非侵入性疾病诊断，环境监测，食品安全等方面具有广泛的应用前景。近日，上海交通大学密歇根学院的研究学者及其合作者报道了一个集成光谱分析仪，可以使用Au亚波长孔阵列构建多光谱滤波器。相关内容以《Mid-infrared plasmonic multispectral flters》为题，发表在《Scientific Reports》杂志上。

图1 （a）在1μm的固定直径下模拟周期性从1.5μm变化到2.5μm。（b）在2μm的固定周期下，模拟周期性直径从0.8μm变化到1.2μm。（c）孔径直径与周期的固定比率为0.5的情况下，Au MHAs的模拟结果。（d）峰值位置孔内模拟E-feld分布的俯视图。

这种孔阵列采用CMOS兼容工艺制造。为了根据模拟结果制造多光谱滤光器，首先将电子束抗蚀剂ZEP520旋涂到样品上，并通过电子束光刻（EBL，Vistec EBPG-5200）以155μC/ cm2的剂量进行刻蚀。如图2（a）所示，然后使用电子束蒸发器（Denton）在锗衬底（1cm×1cm）上的镀上80nm厚的Au膜。然后，将样品浸入丙酮中数小时，然后进行短时间的超声波清洗，将抗蚀剂与金属薄器一起剥离。最后一步，使用磁控溅射系统（Denton）在金属结构上溅射160nm厚的锗保护层。金属膜中产生的孔以六角形排列形成50μm×50μm的阵列，如图2（c）中的扫描电子显微镜（SEM）图像所示。最终，作者制造了30个微孔阵列，其孔径周期从0.5μm调整到3.4μm，步长为100nm，部分如图2（b）所示。相应地改变圆孔直径以确保直径与周期的恒定比率（1：2）。通过线性地增加每个阵列中的孔的周期性，亚波长孔阵列的透射峰值从3μm连续调谐到14μm。

图2 （a）Au微孔阵列的制造过程。步骤I：将电子束抗蚀剂ZEP520旋涂到样品上并通过电子束光刻图案。步骤II：通过电子束蒸发沉积80nm厚的Au膜。步骤III：使用丙酮刻蚀Au膜。步骤IV：在金属顶部溅射160nm厚的锗层。（b）Au微孔阵列的整体显微照片。（c）锗晶片上制造的Au微孔阵列的SEM图像特写。

使用傅里叶变换红外（FTIR）显微镜绘制出孔阵列的透射。作者的测试结果表明，每个孔阵列可以选择性地允许在特定波长透射。结果表明，每个孔阵列可以选择性地允许在特定波长下传输。在此基础上，作者进一步构建了基于微孔多光谱滤波器的红外光谱分析仪模型，以检索两个测试样品的红外光谱信息。实验结果显示，集成光谱分析仪的光谱与测试样品的FTIR光谱几乎相同呈现相同的结果，证明了小型光谱分析仪用于化学分析的潜力。

图3 （a）实验测量的六个（总共30个）微孔阵列的光学透射光谱。（b）孔径周期和透射峰值位置关系的实验和模拟结果。以三种不同的波长绘制的中红外透射MHAs2D图：5.3μm（c），8.9μm（d）和12.9μm（e）。

图4 （a）使用微孔阵列多光谱滤波器的红外光谱分析仪模型。微孔阵列（P =1.7μm）分别在没有测试样品（b）和有测试样品（c）情况下的透射光谱。

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