氮化铪纳米腔光谱

等离子体纳米结构利用金属表面自由电子的集体振荡在纳米尺度集中和操控光，从而对周围折射率的变化实现极其灵敏的检测。这使等离子体纳米结构对生物传感应用极具吸引力——等离子体共振波长的位移可实时、无标记地报告分子、病原体或生物分析物的存在。该领域长期以来由金和银主导，它们提供强等离子体响应，但机械稳健性差、热稳定性有限，且与 CMOS 半导体制造工艺不兼容。

难熔过渡金属氮化物，特别是氮化钛（TiN）和氮化铪（HfN），已成为有吸引力的替代方案。HfN 机械硬度高、化学稳定、耐热性强，且完全兼容 CMOS，对集成光子学和传感平台具有吸引力。至关重要的是，其光学性质（包括自由载流子浓度与光学损耗之间的平衡）可通过在反应溅射过程中调整反应溅射气体比和衬底温度进行调控。

伊斯坦布尔 Sabanci 大学与伦敦帝国理工学院的研究人员系统优化了 HfN 薄膜的反应射频（RF）磁控溅射沉积，利用所得薄膜制造两类周期性等离子体纳米结构：纳米空腔阵列（支持光栅耦合表面等离子体极化激元（SPP））和纳米盘阵列（产生表面晶格共振（SLR））。他们还旨在表征 HfN 纳米空腔和纳米盘阵列在可见至近红外范围内、针对不同周围介质折射率的折射计传感性能。

本研究的核心光谱挑战是获取纳米尺度周期性阵列（每个有效面积仅 200 × 200 µm）随周围介质折射率变化的高保真反射和透射光谱。这需要足够高的光谱分辨率和信噪比，以可靠跟踪亚纳米级的等离子体共振波长位移。这些共振位移作为折射计灵敏度的读出，准确区分和量化它们的能力直接决定测得的传感性能。

对于 HfN 纳米盘阵列，表面晶格共振（SLR）特征源于局域表面等离子体共振与衍射级次的耦合，可表现出极窄的光谱线宽——本研究中 600 nm 周期 HfN 纳米盘阵列的半高全宽低至 15 nm。解析和准确测量如此窄的特征需要光谱仪和探测器组合兼具高光谱分辨率与出色灵敏度，尤其考虑到激发光必须高效传递至亚毫米有效面积并从中收集。此外，定量折射计传感需要在整个 Vis–NIR 测量范围内具有良好校准的绝对波长和强度刻度，任何系统性波长误差都会直接破坏研究结论所依据的灵敏度计算。

Teledyne Princeton Instruments 的 IsoPlane 320 光谱仪与 ProEM-HS EMCCD 相机组合是该挑战性研究的理想解决方案。光谱测量使用定制反射/透射显微光谱装置进行，借助 IsoPlane 无像散 Schmidt–Czerny–Turner 设计，该光学设计确保光谱特征在整个探测器区域准确映射而无空间模糊，当输入通过 10 µm 光谱仪狭缝聚焦自小面积等离子体阵列时这一点至关重要。ProEM 背照传感器架构提供探测 200 × 200 µm 纳米图案区域弱反射和透射信号所需的高量子效率，在整个 Vis–NIR 测量范围内具有出色信噪比。

显微光谱系统的波长和强度校准使用 Princeton Instruments IntelliCal 系统完成，采用 Hg 和 Ar/Ne 灯进行波长校准，采用 NIST 可溯源 LED 光源进行强度校准。这种严格的双轴校准对折射计灵敏度测量的定量准确性至关重要，确保用于计算体灵敏度值（某些情况下折射率变化仅 1.5 × 10⁻³ 时位移小至 1.70 nm）的共振波长位移不受仪器漂移或波长偏移干扰。

IsoPlane 320 光谱仪、ProEM-HS EMCCD 和 IntelliCal 系统共同提供了支撑本研究关键定量发现的光谱精度、探测灵敏度和校准完整性：HfN 纳米空腔阵列体折射率灵敏度高达 636 nm·RIU⁻¹，HfN 纳米盘 SLR 阵列品质因数超过 60，性能直接与金基等离子体结构竞争。

Günaydin, B.N., Çelik, S., Tanrıseven, S., Çetinkaya, A.O., Cebeci, F.Ç., Yüce, M. & Kurt, H. (2025). High-performance plasmonic hafnium nitride nanocavity and nanodisk arrays for enhanced refractometric sensing. ACS Applied Materials & Interfaces, 17, 35842–35856. https://doi.org/10.1021/acsami.5c02241