納米結(jié)構(gòu)如何提高光學(xué)傳感器的靈敏度？

納米結(jié)構(gòu)的幾何形狀只要滿足特定條件，并匹配入射光的波長，就能夠大幅提高光學(xué)傳感器的靈敏度。這是因?yàn)榫植考{米結(jié)構(gòu)可以極大地放大或減少光的電磁場。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，由Christiane Becker教授領(lǐng)導(dǎo)的HZB（德國亥姆霍茲國家研究中心聯(lián)合會）青年研究組“Nano-SIPPE”正致力于開發(fā)這類納米結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)模擬是進(jìn)行這類研究的一種重要工具。來自Nano-SIPPE團(tuán)隊(duì)的Carlo Barth博士現(xiàn)在已經(jīng)使用機(jī)器學(xué)習(xí)確定了納米結(jié)構(gòu)中最重要的場分布模式，并因此首次很好地解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

納米結(jié)構(gòu)上的量子點(diǎn)

該團(tuán)隊(duì)研究的光子納米結(jié)構(gòu)由具有規(guī)則孔狀圖案的硅層組成，其上覆有由硫化物制成的量子點(diǎn)涂層。激光激發(fā)后，接近局部場放大的量子點(diǎn)，比在無序表面上發(fā)出了更多的光。這能夠在經(jīng)驗(yàn)上證明激光如何與納米結(jié)構(gòu)相互作用。

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計(jì)算機(jī)模擬顯示了在激光激發(fā)后，電磁場如何在具有孔狀圖案的硅層中分布。如上圖所示，形成了具有局部場最大值的條紋，因而量子點(diǎn)能夠特別強(qiáng)烈地發(fā)光。

利用機(jī)器學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)了十種不同的模式

為了系統(tǒng)地記錄當(dāng)納米結(jié)構(gòu)的各個(gè)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)會發(fā)生什么，Barth利用在柏林Zuse研究所開發(fā)的軟件計(jì)算了每個(gè)參數(shù)集的三維電場分布。然后，Barth基于機(jī)器學(xué)習(xí)，通過其他計(jì)算機(jī)程序分析了這些海量數(shù)據(jù)。

“計(jì)算機(jī)搜索了大約45000條數(shù)據(jù)記錄，并將它們分成了大約十種不同的模式，”他解釋說。最后，Barth和Becker成功地確定了其中三種基本模式，在這三種基本模式下，光電磁場在納米孔的各個(gè)特定區(qū)域被放大了。

展望：探測單個(gè)分子，例如：癌癥標(biāo)志物

這使得基于激發(fā)放大的光子晶體膜可以針對幾乎任何應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。這是因?yàn)楦鶕?jù)不同的應(yīng)用，例如，一些生物分子會優(yōu)先沿著納米孔的邊緣積聚，另一些生物分子則在納米孔之間的平臺區(qū)域積聚。

利用合適的幾何形狀和準(zhǔn)確的光激發(fā)，可以在所需分子的附著位置處，精確地產(chǎn)生最大電場放大。其應(yīng)用廣闊，例如，這能夠使癌癥標(biāo)志物光學(xué)傳感器的靈敏度提高到單個(gè)分子水平。