Micro-sized optical spectrometer operates across visible spectrum with sub-5-nm resolution

20 juillet 2024 fonctionnalité

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par Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Les spectromètres optiques sont des instruments polyvalents qui peuvent produire de la lumière et en mesurer les propriétés sur des portions spécifiques du spectre électromagnétique. Ces instruments peuvent avoir diverses applications possibles; par exemple, aider au diagnostic de conditions médicales, à l'analyse de systèmes biologiques et à la caractérisation de matériaux.

Les conceptions de spectromètres conventionnels intègrent souvent des composants optiques avancés et des mécanismes sous-jacents complexes. En conséquence, ils sont souvent encombrants et coûteux, ce qui limite considérablement leur utilisation en dehors des installations spécialisées, telles que les hôpitaux, les laboratoires et les instituts de recherche,

Ces dernières années, certains ingénieurs électroniciens ont donc cherché à développer des spectromètres optiques plus compacts et abordables qui pourraient être plus faciles à déployer à grande échelle. Ces appareils sont généralement développés soit en suivant le même principe sous-tendant le fonctionnement des spectromètres conventionnels plus grands, soit en utilisant des photodétecteurs à large bande en réseau, en conjonction avec des algorithmes informatiques.

Des chercheurs de l'Université chinoise de Hong Kong et d'autres instituts en Chine ont récemment conçu et fabriqué un nouveau spectromètre optique de taille micro, portable et économique. Ce spectromètre alternatif, présenté dans un article publié dans Nature Electronics, repose sur un photodétecteur organique avec une réponse spectrale réglable par polarisation.

'Les spectromètres optiques miniaturisés pourraient être utiles dans des applications portables et vestimentaires', ont écrit Xie He, Yuanzhe Li et leurs collègues dans leur article. 'Ces appareils sont généralement basés sur des réseaux de photodétecteurs fournissant des réponses spectrales distinctes ou utilisant des optiques dispersives miniaturisées complexes. Cependant, ces approches se traduisent souvent par de grands systèmes de la taille de centimètres. Nous présentons un spectromètre optique de taille micro basé sur un photodétecteur organique de type photomultiplication intégré à un espaceur optique avec une réponse spectrale réglable par polarisation.'

Le nouveau spectromètre optique développé par ces chercheurs repose sur une nouvelle méthode introduite pour manipuler l'emplacement de la génération de photoporteurs en fonction de la longueur d'onde dans les photodiodes. Cette technique repose sur l'utilisation d'un contact tri-couche composé d'un contact arrière transparent, d'un espaceur optique et d'un réflecteur arrière.

L'équipe a combiné ce contact avec une diode Schottky et une jonction hétérojonction en vrac ternaire biologique, pour créer un photodétecteur organique de type photomultiplication (PM-OPD). Les enregistrements collectés par ce photodétecteur ont ensuite été analysés par un algorithme de reconstruction.

'L'approche permet la reconstruction informatique d'un spectre de lumière incidente à partir des courants photoélectriques mesurés sous un ensemble de tensions de biais différentes', ont écrit He, Li et leurs collègues. 'Le dispositif, qui a une empreinte de 0.0004 cm2, est capable d'opérer à large bande sur toute la longueur d'onde visible avec une résolution inférieure à 5 nm.'

Les chercheurs ont évalué leur spectromètre optique miniaturisé lors d'une série de tests et ont constaté qu'il obtenait des résultats remarquables, opérant sur l'ensemble du régime du spectre visible (~400–760 nm) avec une résolution inférieure à 5 nm. Pour démontrer davantage le potentiel de leur conception, ils l'ont utilisé pour fabriquer un réseau de capteurs spectroscopiques 8 x 8 pour l'imagerie hyperspectrale (c'est-à-dire, une technique qui peut détecter les signatures spectrales uniques d'objets spécifiques en traitant les informations sur l'ensemble du spectre électromagnétique).

A l'avenir, la nouvelle approche introduite dans cet article pourrait inspirer le développement d'autres spectromètres optiques miniaturisés et plus abordables similaires. Ces appareils pourraient à leur tour être utilisés pour créer de nouvelles technologies de pointe qui pourraient faire progresser la recherche et les pratiques médicales.

Plus d'informations : Xie He et al, A microsized optical spectrometer based on an organic photodetector with an electrically tunable spectral response, Nature Electronics (2024). DOI: 10.1038/s41928-024-01199-9

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