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Microheater-Integrated Spectrally Selective Multiband Mid-Infrared Nanoemitter for On-Chip Optical Multigas Sensing

微型加热器 材料科学 光电子学 等离子体子 超材料吸收剂 窄带 吸收(声学) 超材料 微电子机械系统 共发射极 光学 制作 物理 医学 替代医学 可调谐超材料 病理 复合材料
作者
Zahra Rahimian Omam,Amir Ghobadi,Bahram Khalichi,Burak Güneş,Ekmel Özbay
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
卷期号:6 (22): 20588-20600 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acsanm.3c02988
摘要

Traditional optical gas sensors often require multiple components such as broadband infrared sources, detectors, and band-pass filters to detect various target gases, resulting in bulky and expensive sensor designs. A streamlined optical gas-sensing platform utilizing a narrowband thermal emitter with a spectrally selective response, capable of accommodating various target gases, has the potential to supplant current bulky designs. Through the on-chip integration of a narrowband metamaterial perfect absorber with a microelectromechanical system (MEMS) heater, a selective infrared source emitter could be designed. In this paper, a multiband metamaterial absorber with resonance modes located at different gas absorption signatures is developed for optical multi-gas-sensing applications. The proposed nanoemitter supports penta-band light absorption through the simultaneous excitation of phononic modes (within the hexagonal boron nitride (hBN) topmost layer) and plasmonic modes (with the spectrally selective underlying metal–insulator–metal (MIM) absorber stack). It achieves five near-perfect sharp absorption resonance peaks compatible with the H2S, CH4, CO2, NO, and SO2 gas absorption signatures in the mid-infrared (MIR) spectral range. This spectrally engineered multiwavelength absorption behavior is achieved by simultaneously coupling the optical phonons (OPhs) and the plasmonic modes in the vicinity of the OPh region of hBN and by exciting plasmonic modes with the help of the spacer (ZnTe: zinc telluride) and the metallic nanogratings. Finally, this low-cost and efficient penta-band absorber is combined with a MEMS-based microheater. The microheater uses a Peano-shaped configuration to provide a highly uniform surface temperature, which is crucial for accurate and reliable gas sensing. The proposed platform demonstrates excellent potential in terms of cost-effectiveness, source-free operation, and suitability for multi-gas-sensing platforms.
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