Angle-multiplexed all-dielectric metasurfaces for broadband molecular fingerprint retrieval

宽带 光学 电介质 纳米光子学 吸收(声学) 红外线的 材料科学 光电子学 光谱学 等离子体子 物理 量子力学
作者
Aleksandrs Leitis,Andreas Tittl,Mingkai Liu,Bang Hyun Lee,Man Bock Gu,Yuri S. Kivshar,Hatice Altug
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science (AAAS)]
卷期号:5 (5) 被引量:368
标识
DOI:10.1126/sciadv.aaw2871
摘要

Infrared spectroscopy resolves the structure of molecules by detecting their characteristic vibrational fingerprints. Subwavelength light confinement and nanophotonic enhancement have extended the scope of this technique for monolayer studies. However, current approaches still require complex spectroscopic equipment or tunable light sources. Here, we introduce a novel metasurface-based method for detecting molecular absorption fingerprints over a broad spectrum, which combines the device-level simplicity of state-of-the-art angle-scanning refractometric sensors with the chemical specificity of infrared spectroscopy. Specifically, we develop germanium-based high-Q metasurfaces capable of delivering a multitude of spectrally selective and surface-sensitive resonances between 1100 and 1800 cm-1. We use this approach to detect distinct absorption signatures of different interacting analytes including proteins, aptamers, and polylysine. In combination with broadband incoherent illumination and detection, our method correlates the total reflectance signal at each incidence angle with the strength of the molecular absorption, enabling spectrometer-less operation in a compact angle-scanning configuration ideally suited for field-deployable applications.
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