從二本院校畢業(yè)生、到成為荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)博士畢業(yè)生，柏萍走得不算特快，但卻步步扎實。正式戴上博士帽的前一周里，她迎來了“三連喜”：一篇論文被 Nature Communications 接收；另一篇論文被 Journal of Applied Physics 接收；以及收到了即將博士畢業(yè)的好消息。

圖 | 柏萍（來源：柏萍）

等離子體氫氣傳感器，是 Nature Communications 那篇論文的的研究對象。這種傳感器主要依賴于金屬納米顆粒中的光學(xué)共振。該類共振通常具有非常寬的光譜，所以傳統(tǒng)氫氣傳感器的檢測僅在百萬分之一。

然而，在實際生產(chǎn)生活中，有時還得保證安全。因此，我們需要更快速、更靈敏、更準(zhǔn)確的氫氣傳感器, 以用于一些特殊場景。

例如，監(jiān)測工程結(jié)構(gòu)材料中是否存在氫損傷；觀察病人胃中是否存在由細(xì)菌感染產(chǎn)生的氫氣等。

綜上，如何通過優(yōu)化傳感器的結(jié)構(gòu)，從而大幅度提高其靈敏度，一直是光學(xué)等離子體傳感器的難點課題。

針對這一問題，柏萍使用逆向納米光子的設(shè)計方法，并結(jié)合人工智能設(shè)計出一種超靈敏等離子體氫氣傳感器。同時，該傳感器也基于鈀納米顆粒周期性陣列中的集體共振。

對于應(yīng)用前景，她表示：“通過這篇論文的研究和發(fā)表，我非常有自信地說，基于粒子群算法的逆向納米光子學(xué)的設(shè)計優(yōu)化方法非常強大，在和一些商業(yè)物理學(xué)軟件比如 Lumerical FDTD 和 COMSOL 仿真相結(jié)合后，可以潛在地應(yīng)用到其他研究方向和應(yīng)用領(lǐng)域中去�！�

鑒于此次設(shè)計方法的普遍性，加之納米顆粒陣列窄光譜等離子表面晶格共振的特性，接下來會應(yīng)用到不同光學(xué)或電子光學(xué)領(lǐng)域中去。

基于此，課題組還可繼續(xù)優(yōu)化和研究不同種類的傳感器，比如表面生物分子傳感器、單波長輸入傳感器等。

（來源：Nature Communications）

測量敏感度達(dá)到十億分之一

具體來講，她和合作者先是設(shè)計了一個基本的傳感器結(jié)構(gòu)，接下來通過建模把原始問題轉(zhuǎn)化成一個數(shù)學(xué)中的優(yōu)化問題。使用粒子群優(yōu)化算法來一步一步迭代，進(jìn)而得到結(jié)構(gòu)設(shè)計。

實驗證明，由該方法得到的傳感器，在測量敏感度達(dá)到了十億分之一，比傳統(tǒng)方法制備的傳感器高出 3 個數(shù)量級�！八�不僅克服了光學(xué)傳感器的靈敏度瓶頸，而且是目前世界上測量到了低數(shù)量級的光學(xué)氫氣傳感器。”柏萍表示。

除了氫氣傳感之外，在此次工作中采用的逆向設(shè)計方法，也可以擴(kuò)展到具有共振的表面功能化納米顆粒陣列。這些共振的存在價值之一在于，能通過折射率效應(yīng)或化學(xué)界面阻尼，去吸附特定的氣體，從而實現(xiàn)低成本和超靈敏的傳感平臺。無論是家庭安全、還是城市空氣的污染檢測，本次成果都能施展本領(lǐng)。

（來源：Nature Communications）

近日，相關(guān)論文以《反設(shè)計等離子體超表面每十億分之一的光學(xué)氫偵查》（）為題發(fā)表在 Nature Communications 上。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature Communications）

柏萍是共同作者，荷蘭阿姆斯特丹自由大學(xué)物理與天文學(xué)系的法瑞·安格羅·阿爾迪·努格羅霍（Ferry Anggoro Ardy Nugroho）博士擔(dān)任共同一作兼通訊，同樣來自該學(xué)院的安德里·巴爾迪（）教授擔(dān)任共同通訊作者。

另外兩位共同通訊作者還有：瑞典查爾姆斯理工大學(xué)教授約阿希姆·弗里切（）、以及荷蘭埃因霍溫科技大學(xué)應(yīng)用物理系教授海梅·戈麥斯·里瓦斯（）。

其中一位審稿人同意覺得該研究是有趣的，因為它能潛在地用于設(shè)計其他的器件�！傲硪晃粚徃迦烁�是用‘新穎，應(yīng)該是一個重大貢獻(xiàn)’來評價。只有創(chuàng)新才能突破瓶頸。這項工作的創(chuàng)新之處就在于逆向設(shè)計方法，不僅能直接找出等離子體氫氣傳感器設(shè)計結(jié)構(gòu)，而且能使傳感器靈敏度打破限度，達(dá)到一個新的高度，”柏萍表示。

創(chuàng)造目前氫氣檢測靈敏度的世界紀(jì)錄

回顧研究全程，柏萍表示在立項階段時，大家將該工作著眼于等離子體氫氣傳感器的研究現(xiàn)狀。由于金屬納米顆粒中的光學(xué)共振寬光譜特征的限制，在有光學(xué)損耗的鈀納米結(jié)構(gòu)中氫會被吸收，這導(dǎo)致此前先進(jìn)的檢測限度一直處在百萬分之一（ppm）的范圍內(nèi)。

柏萍表示：“我們的合作者 Dr. Ferry Anggoro Ardy Nugroho 是氫氣傳感器方面的專家，曾在 Nature Materials 和 ACS Nano 等期刊中發(fā)表過相關(guān)論文。而對他們而言，突破等離子體氫氣傳感器的檢測限度始終是一個重大挑戰(zhàn)�！�

在一次荷蘭物理學(xué)術(shù)會議（NWO Physics@Veldhoven 2018）中，柏萍的博導(dǎo)的前同事，對柏萍展出的海報特別感興趣。

在這個海報中，柏萍介紹了逆向設(shè)計優(yōu)化方法-粒子群算法。因此這位教授回去后就讓他們課題組的博士后 Ferry 聯(lián)系柏萍商討合作事宜。

（來源：Nature Communications）

而在優(yōu)化設(shè)計階段，則主要由柏萍執(zhí)行。借助商用軟件 Lumerical FDTD 模擬器，她編寫了一套粒子群算法程序，能適用于鈀納米顆粒陣列的光學(xué)傳感器。

結(jié)合顆粒陣列中集體表面晶格共振的窄消光光譜特性，她和合作者以較大化傳感器的靈敏度為目的，優(yōu)化了鈀納米顆粒陣列的各項幾何參數(shù)，比如顆粒直徑、高度、周期性陣列的晶格常數(shù)、以及覆蓋其上的過濾層厚度。

“非常有趣的是，我們的優(yōu)化結(jié)果表明，氫氣傳感器的靈敏度不是僅由表面晶格共振的窄消光光譜 實現(xiàn)的，而是通過具有較窄光譜和納米顆粒之內(nèi)的、足夠大的場增強之間的平衡陣列來實現(xiàn)的。這個發(fā)現(xiàn)使我們對等離子體光學(xué)傳感器的機(jī)理有了新的理解�！卑仄急硎尽�

在制備和測試階段，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的合作方承擔(dān)了主要工作，他們采用電子束光刻、熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、濕化學(xué)蝕刻、反應(yīng)離子蝕刻、剝離和切割等技術(shù)，制備出了優(yōu)化后的鈀顆粒周期性陣列樣品。

隨后送往阿姆斯特丹自由大學(xué)合作方 教授實驗室進(jìn)行光學(xué)色散測試和氫靈敏度測試�！靶Ч�非常驚人，測量的氫檢測限度達(dá)到十億分之一（ppb），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了原有的檢測限度，創(chuàng)造了目前氫氣檢測靈敏度世界紀(jì)錄�！卑仄颊f。

接下來，大家開始撰寫論文初稿，主要內(nèi)容包括鈀顆粒陣列中集體表面晶格共振的研究、幾何參數(shù)對靈敏度的影響、粒子群優(yōu)化設(shè)計和效果評估、對樣品測試結(jié)果的分析等。2021 年底，他們向 Nature Communications 提交論文初稿，并順利經(jīng)過編輯的初審，隨后送專家審閱。

2022 年春節(jié)前后，研究團(tuán)隊收到了審稿人反饋的意見。據(jù)柏萍回憶：“其中比較重要的一個評審意見是我們的氫氣傳感器是否可靠。因為此傳感靈敏度依賴于氫的濃度，而我們的樣品是暴露在氫濃度逐漸降低的環(huán)境中，從而實現(xiàn)對低濃度氫的檢測。”

針對這一疑問，她和合作者公開了傳感器暴露于三個周期的、由高到低氫濃度的測量數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示即使在低濃度下，該傳感器的響應(yīng)也是可重復(fù)的。

審稿人的另一個問題，則是質(zhì)疑氫氣傳感器的實際應(yīng)用性。對于氫氣傳感器來說，絕大部分的應(yīng)用是在檢測大氣中的氫氣，而柏萍等人的測試完全以干氬氣作為背景氣體完成。

針對這一問題，他們在論文修改稿中新增了對于其中一個實驗的介紹，即在空氣中測試等離子體氫傳感器，以此來驗證它在現(xiàn)實氣體環(huán)境中的適用性。幸運的是，測量響應(yīng)光譜和在干氬氣中測量的幾乎一致。論文在 2022 年初秋順利發(fā)表。

說到這里，柏萍感慨道：“研究的三大主要步驟：設(shè)計優(yōu)化、樣品制備和樣品測試，分別由三個組完成。雖然我們有各自的分工合作，但也在彼此學(xué)習(xí)。比如在樣品制備時，我曾親身進(jìn)入超凈間目睹制備的過程并核實樣品的幾何參數(shù)。樣品測試后，也參與分析實驗結(jié)果，和模擬數(shù)據(jù)對應(yīng)起來分析。這些寶貴的經(jīng)歷，將是我一生的財富�！�

（來源：Nature Communications）

已從荷蘭回國，即將加入西湖大學(xué)做博后

如前所述，在柏萍博士論文畢業(yè)答辯的那一周里，除了收到了這篇論文的正式接收郵件外，還收到了另一篇論文被接收的郵件。

她說：“我另一篇將被發(fā)表在 JAP（Journal of Applied Physics）的論文，將類似的逆向納米光子設(shè)計方法，用在了有機(jī)太陽能電池上。2022 年 9 月 19 號到 9 月 23 號那一周里，有三件我永遠(yuǎn)記得的大事：周一被告知本論文被 Nature Communications 正式接收，周三收到另一手稿被 JAP 接收 發(fā)表， 周五我結(jié)束了 4 年的博士生涯，完成了博士論文答辯儀 式。伴隨著驚喜、緊張和興奮的心情，從 此我便結(jié)束博士研究階段，正式被授權(quán)使用博士頭銜。”

而說到求學(xué)經(jīng)歷，柏萍自認(rèn)為算是比較坎坷的。她說自己并不是那種從小就特別聰明的孩子�？恐鴿M腔熱血和一顆追求上進(jìn)的心，從齊魯工業(yè)大學(xué)畢業(yè)后，其于 2013 年考入蘇州大學(xué)物理學(xué)專業(yè)讀研。

碩士期間，她曾有幸兩度前往沙特阿拉伯國王科技大學(xué)訪問學(xué)習(xí)，在教授和教授的共同指導(dǎo)下，從事新型光學(xué)和聲學(xué)吸收系統(tǒng)的理論與設(shè)計研究，以作者身份發(fā)表了 3 篇學(xué)術(shù)論文。

之后，又于 2017 年獲得國家公派留學(xué)資格的資助，前往荷蘭進(jìn)行博士學(xué)習(xí)。幾經(jīng)輾轉(zhuǎn)， 于 2018 年 10 月加入埃因霍溫理工大學(xué)應(yīng)用物理系 教授課題組開始表面納米光子學(xué)的研究。

目前，柏萍已經(jīng)離開荷蘭回到國內(nèi)，并接到了西湖大學(xué)的博士后 offer, 計劃于 2022 年 12 月入職西湖大學(xué)工學(xué)院 PI博士團(tuán)隊，開始拓?fù)浼{米光子的科研工作。

參考資料：

1.Nugroho, F.A.A., Bai, P., Darmadi, I. et al. Inverse designed plasmonic metasurface with parts per billion optical hydrogen detection. Nat Commun 13, 5737 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-33466-8