Mikro-großer optischer Spektrometer arbeitet über sichtbares Spektrum mit einer Auflösung von weniger als 5 nm

20. Juli 2024 Feature

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Von Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Optische Spektrometer sind vielseitige Instrumente, die Licht erzeugen und seine Eigenschaften über bestimmte Bereiche des elektromagnetischen Spektrums messen können. Diese Instrumente können verschiedene Anwendungen haben; zum Beispiel bei der Diagnose von medizinischen Zuständen, der Analyse biologischer Systeme und der Charakterisierung von Materialien.

Konventionelle Spektrometer-Designs integrieren oft fortschrittliche optische Komponenten und komplexe zugrunde liegende Mechanismen. Folglich sind sie oft sperrig und teuer, was ihre Verwendung außerhalb spezialisierter Einrichtungen wie Krankenhäuser, Labors und Forschungsinstitute erheblich einschränkt.

In den letzten Jahren versuchen daher einige Elektronikingenieure, kompaktere und erschwinglichere optische Spektrometer zu entwickeln, die einfacher in großem Maßstab eingesetzt werden können. Diese Geräte werden in der Regel entweder nach dem gleichen Prinzip entwickelt, das den Funktionen herkömmlicher größerer Spektrometer zugrunde liegt, oder durch die Verwendung von einem Reihen breitbandiger Fotodetektoren in Verbindung mit Rechenalgorithmen.

Forscher der Chinesischen Universität Hongkong und anderer Institute in China haben kürzlich ein neues Mikro-Größe-, tragbares und kostengünstiges optisches Spektrometer entwickelt und hergestellt. Dieses alternative Spektrometer, das in einem in Nature Electronics veröffentlichten Artikel vorgestellt wird, basiert auf einem organischen Fotodetektor mit einer beeinflussbaren spektralen Antwort.

'Miniaturisierte optische Spektrometer könnten in tragbaren und tragbaren Anwendungen nützlich sein,' schrieben Xie He, Yuanzhe Li und ihre Kollegen in ihrem Artikel. 'Solche Geräte basierten typischerweise auf Arrays von Fotodetektoren, die verschiedene spektrale Antworten liefern, oder verwenden komplexe miniaturisierte dispersiv Optik. Diese Ansätze führen jedoch oft zu großen Zentimeter großen Systemen. Wir berichten über ein Mikro-Größe optisches Spektrometer, das auf einem optischen-Abstand-Integriert-Photomultiikations-typischen organischen Fotodetektor mit einer beeinflussbaren spektralen Antwort basiert.'

Das von diesen Forschern entwickelte neue optische Spektrometer basiert auf einem neu eingeführten Verfahren zur Manipulation des Wellenlängen-abhängigen Orts der Photo-Träger-Generierung in Fotodioden. Diese Technik beruht auf der Verwendung eines Dreischichtkontaktes, bestehend aus einem transparenten Rückkontakt, einem optischen Abstand und einem Rückreflektor.

Das Team kombinierte diesen Kontakt mit einer Schottky-Diode und einer organischen ternären Massenheterojunction, um einen Photomultiplikations-typischen organischen Fotodetektor (PM-OPD) zu schaffen. Die von diesem Fotodetektor gesammelten Aufnahmen wurden dann von einem Rekonstruktionsalgorithmus analysiert.

'Der Ansatz ermöglicht die rechnerische Rekonstruktion eines einfallenden Lichtspektrums aus Photostromen, die unter einer Reihe unterschiedlicher Bias-Spannungen gemessen wurden,' schrieben He, Li und ihre Kollegen. 'Das Gerät, das eine Stellfläche von 0,0004 cm2 hat, ist zu einem breitbandigen Betrieb über die gesamte sichtbare Wellenlänge mit einer Auflösung von unter 5 nm fähig.'

Die Forscher bewerteten ihr miniaturisiertes optisches Spektrometer in einer Reihe von Tests und stellten fest, dass es bemerkenswerte Ergebnisse erzielte, indem es über das gesamte sichtbare Spektrum (~400–760 nm) mit einer Auflösung von unter 5 nm arbeitete. Um das Potenzial ihres Designs weiter zu demonstrieren, verwendeten sie es zur Herstellung eines 8 x 8 Spektroskopischen-Sensor-Arrays für hyperspektrale Bildgebung (d.h. eine Technik, die die einzigartigen spektralen Signaturen spezifischer Objekte erkennen kann, indem Informationen über das elektromagnetische Spektrum verarbeitet werden).

In Zukunft könnte der in diesem Artikel vorgestellte neue Ansatz die Entwicklung anderer ähnlicher Mikro-Größe und erschwinglicher optischer Spektrometer inspirieren. Diese Geräte könnten ihrerseits verwendet werden, um neue Spitzentechnologien zu schaffen, die die Forschung und medizinische Praktiken vorantreiben.

Weitere Informationen: Xie He et al, Ein mikro-großes optisches Spektrometer basierend auf einem organischen Fotodetektor mit einer elektrisch einstellbaren spektralen Antwort, Nature Electronics (2024). DOI: 10.1038/s41928-024-01199-9

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