从二本院校毕业生、到成为荷兰埃因霍温理工大学博士毕业生，柏萍走得不算特快，但却步步扎实。正式戴上博士帽的前一周里，她迎来了“三连喜”：一篇论文被 Nature Communications 接收；另一篇论文被 Journal of Applied Physics 接收；以及收到了即将博士毕业的好消息。

图 | 柏萍（来源：柏萍）

等离子体氢气传感器，是 Nature Communications 那篇论文的的研究对象。这种传感器主要依赖于金属纳米颗粒中的光学共振。该类共振通常具有非常宽的光谱，所以传统氢气传感器的检测仅在百万分之一。

然而，在实际生产生活中，有时还得保证安全。因此，我们需要更快速、更灵敏、更准确的氢气传感器, 以用于一些特殊场景。

例如，监测工程结构材料中是否存在氢损伤；观察病人胃中是否存在由细菌感染产生的氢气等。

综上，如何通过优化传感器的结构，从而大幅度提高其灵敏度，一直是光学等离子体传感器的难点课题。

针对这一问题，柏萍使用逆向纳米光子的设计方法，并结合人工智能设计出一种超灵敏等离子体氢气传感器。同时，该传感器也基于钯纳米颗粒周期性阵列中的集体共振。

对于应用前景，她表示：“通过这篇论文的研究和发表，我非常有自信地说，基于粒子群算法的逆向纳米光子学的设计优化方法非常强大，在和一些商业物理学软件比如 Lumerical FDTD 和 COMSOL 仿真相结合后，可以潜在地应用到其他研究方向和应用领域中去。”

鉴于此次设计方法的普遍性，加之纳米颗粒阵列窄光谱等离子表面晶格共振的特性，接下来会应用到不同光学或电子光学领域中去。

基于此，课题组还可继续优化和研究不同种类的传感器，比如表面生物分子传感器、单波长输入传感器等。

（来源：Nature Communications）

测量敏感度达到十亿分之一

具体来讲，她和合作者先是设计了一个基本的传感器结构，接下来通过建模把原始问题转化成一个数学中的优化问题。使用粒子群优化算法来一步一步迭代，进而得到结构设计。

实验证明，由该方法得到的传感器，在测量敏感度达到了十亿分之一，比传统方法制备的传感器高出 3 个数量级。“它不仅克服了光学传感器的灵敏度瓶颈，而且是目前世界上测量到了低数量级的光学氢气传感器。”柏萍表示。

除了氢气传感之外，在此次工作中采用的逆向设计方法，也可以扩展到具有共振的表面功能化纳米颗粒阵列。这些共振的存在价值之一在于，能通过折射率效应或化学界面阻尼，去吸附特定的气体，从而实现低成本和超灵敏的传感平台。无论是家庭安全、还是城市空气的污染检测，本次成果都能施展本领。

（来源：Nature Communications）

近日，相关论文以《反设计等离子体超表面每十亿分之一的光学氢侦查》（）为题发表在 Nature Communications 上。

图 | 相关论文（来源：Nature Communications）

柏萍是共同作者，荷兰阿姆斯特丹自由大学物理与天文学系的法瑞·安格罗·阿尔迪·努格罗霍（Ferry Anggoro Ardy Nugroho）博士担任共同一作兼通讯，同样来自该学院的安德里·巴尔迪（）教授担任共同通讯作者。

另外两位共同通讯作者还有：瑞典查尔姆斯理工大学教授约阿希姆·弗里切（）、以及荷兰埃因霍温科技大学应用物理系教授海梅·戈麦斯·里瓦斯（）。

其中一位审稿人同意觉得该研究是有趣的，因为它能潜在地用于设计其他的器件。“另一位审稿人更是用‘新颖，应该是一个重大贡献’来评价。只有创新才能突破瓶颈。这项工作的创新之处就在于逆向设计方法，不仅能直接找出等离子体氢气传感器设计结构，而且能使传感器灵敏度打破限度，达到一个新的高度，”柏萍表示。

创造目前氢气检测灵敏度的世界纪录

回顾研究全程，柏萍表示在立项阶段时，大家将该工作着眼于等离子体氢气传感器的研究现状。由于金属纳米颗粒中的光学共振宽光谱特征的限制，在有光学损耗的钯纳米结构中氢会被吸收，这导致此前先进的检测限度一直处在百万分之一（ppm）的范围内。

柏萍表示：“我们的合作者 Dr. Ferry Anggoro Ardy Nugroho 是氢气传感器方面的专家，曾在 Nature Materials 和 ACS Nano 等期刊中发表过相关论文。而对他们而言，突破等离子体氢气传感器的检测限度始终是一个重大挑战。”

在一次荷兰物理学术会议（NWO Physics@Veldhoven 2018）中，柏萍的博导的前同事，对柏萍展出的海报特别感兴趣。

在这个海报中，柏萍介绍了逆向设计优化方法-粒子群算法。因此这位教授回去后就让他们课题组的博士后 Ferry 联系柏萍商讨合作事宜。

（来源：Nature Communications）

而在优化设计阶段，则主要由柏萍执行。借助商用软件 Lumerical FDTD 模拟器，她编写了一套粒子群算法程序，能适用于钯纳米颗粒阵列的光学传感器。

结合颗粒阵列中集体表面晶格共振的窄消光光谱特性，她和合作者以较大化传感器的灵敏度为目的，优化了钯纳米颗粒阵列的各项几何参数，比如颗粒直径、高度、周期性阵列的晶格常数、以及覆盖其上的过滤层厚度。

“非常有趣的是，我们的优化结果表明，氢气传感器的灵敏度不是仅由表面晶格共振的窄消光光谱 实现的，而是通过具有较窄光谱和纳米颗粒之内的、足够大的场增强之间的平衡阵列来实现的。这个发现使我们对等离子体光学传感器的机理有了新的理解。”柏萍表示。

在制备和测试阶段，瑞典查尔姆斯理工大学的合作方承担了主要工作，他们采用电子束光刻、热蒸发、电子束蒸发、湿化学蚀刻、反应离子蚀刻、剥离和切割等技术，制备出了优化后的钯颗粒周期性阵列样品。

随后送往阿姆斯特丹自由大学合作方 教授实验室进行光学色散测试和氢灵敏度测试。“效果非常惊人，测量的氢检测限度达到十亿分之一（ppb），远远超越了原有的检测限度，创造了目前氢气检测灵敏度世界纪录。”柏萍说。

接下来，大家开始撰写论文初稿，主要内容包括钯颗粒阵列中集体表面晶格共振的研究、几何参数对灵敏度的影响、粒子群优化设计和效果评估、对样品测试结果的分析等。2021 年底，他们向 Nature Communications 提交论文初稿，并顺利经过编辑的初审，随后送专家审阅。

2022 年春节前后，研究团队收到了审稿人反馈的意见。据柏萍回忆：“其中比较重要的一个评审意见是我们的氢气传感器是否可靠。因为此传感灵敏度依赖于氢的浓度，而我们的样品是暴露在氢浓度逐渐降低的环境中，从而实现对低浓度氢的检测。”

针对这一疑问，她和合作者公开了传感器暴露于三个周期的、由高到低氢浓度的测量数据。结果显示即使在低浓度下，该传感器的响应也是可重复的。

审稿人的另一个问题，则是质疑氢气传感器的实际应用性。对于氢气传感器来说，绝大部分的应用是在检测大气中的氢气，而柏萍等人的测试完全以干氩气作为背景气体完成。

针对这一问题，他们在论文修改稿中新增了对于其中一个实验的介绍，即在空气中测试等离子体氢传感器，以此来验证它在现实气体环境中的适用性。幸运的是，测量响应光谱和在干氩气中测量的几乎一致。论文在 2022 年初秋顺利发表。

说到这里，柏萍感慨道：“研究的三大主要步骤：设计优化、样品制备和样品测试，分别由三个组完成。虽然我们有各自的分工合作，但也在彼此学习。比如在样品制备时，我曾亲身进入超净间目睹制备的过程并核实样品的几何参数。样品测试后，也参与分析实验结果，和模拟数据对应起来分析。这些宝贵的经历，将是我一生的财富。”

（来源：Nature Communications）

已从荷兰回国，即将加入西湖大学做博后

如前所述，在柏萍博士论文毕业答辩的那一周里，除了收到了这篇论文的正式接收邮件外，还收到了另一篇论文被接收的邮件。

她说：“我另一篇将被发表在 JAP（Journal of Applied Physics）的论文，将类似的逆向纳米光子设计方法，用在了有机太阳能电池上。2022 年 9 月 19 号到 9 月 23 号那一周里，有三件我永远记得的大事：周一被告知本论文被 Nature Communications 正式接收，周三收到另一手稿被 JAP 接收 发表， 周五我结束了 4 年的博士生涯，完成了博士论文答辩仪 式。伴随着惊喜、紧张和兴奋的心情，从 此我便结束博士研究阶段，正式被授权使用博士头衔。”

而说到求学经历，柏萍自认为算是比较坎坷的。她说自己并不是那种从小就特别聪明的孩子。靠着满腔热血和一颗追求上进的心，从齐鲁工业大学毕业后，其于 2013 年考入苏州大学物理学专业读研。

硕士期间，她曾有幸两度前往沙特阿拉伯国王科技大学访问学习，在教授和教授的共同指导下，从事新型光学和声学吸收系统的理论与设计研究，以作者身份发表了 3 篇学术论文。

之后，又于 2017 年获得国家公派留学资格的资助，前往荷兰进行博士学习。几经辗转， 于 2018 年 10 月加入埃因霍温理工大学应用物理系 教授课题组开始表面纳米光子学的研究。

目前，柏萍已经离开荷兰回到国内，并接到了西湖大学的博士后 offer, 计划于 2022 年 12 月入职西湖大学工学院 PI博士团队，开始拓扑纳米光子的科研工作。

参考资料：

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