Spettrometro ottico di dimensioni microscopiche opera lungo lo spettro visibile con una risoluzione inferiore a 5 nm

20 luglio 2024 feature

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di Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Gli spettroscopi ottici sono strumenti versatili in grado di produrre luce e misurarne le proprietà su porzioni specifiche dello spettro elettromagnetico. Questi strumenti possono avere diverse possibili applicazioni; ad esempio, aiutare nella diagnosi di condizioni mediche, nell'analisi di sistemi biologici e nella caratterizzazione dei materiali.

I progetti di spettroscopi convenzionali spesso integrano componenti ottici avanzati e meccanismi sottostanti complessi. Di conseguenza, sono spesso ingombranti ed costosi, il che limita significativamente il loro utilizzo al di fuori di strutture specializzate, come ospedali, laboratori e istituti di ricerca,

Negli ultimi anni, alcuni ingegneri elettronici hanno quindi cercato di sviluppare spettroscopi ottici più compatti e accessibili che potrebbero essere più facili da dispiegare su larga scala. Questi dispositivi sono tipicamente sviluppati seguendo lo stesso principio alla base del funzionamento dei più grandi spettroscopi convenzionali o tramite l'uso di rilevatori fotodiodi a banda larga in array, in combinazione con algoritmi computazionali.

Ricercatori della Chinese University di Hong Kong e di altri istituti in Cina hanno recentemente progettato e realizzato un nuovo spettroscopio ottico di dimensioni microscopiche, portatile ed economico. Questo spettroscopio alternativo, presentato in un articolo pubblicato su Nature Electronics, si basa su un fotodetettore organico con una risposta spettrale regolabile mediante tensione.

"Gli spettroscopi ottici miniaturizzati potrebbero trovare application in dispositivi portatili e indossabili," hanno scritto Xie He, Yuanzhe Li e i loro colleghi nel loro articolo. "Tali dispositivi sono tipicamente basati su array di fotodiodi che forniscono risposte spettrali distinte o utilizzano complessi ottici dispersivi miniaturizzati. Tuttavia, questi approcci spesso portano a sistemi di grandi dimensioni. Riportiamo uno spettroscopio ottico di dimensioni microscopiche basato su un fotodetettore organico di tipo fotomoltiplicazione integrato con uno spaziatore ottico e con una risposta spettrale regolabile mediante tensione."

Il nuovo spettroscopio ottico sviluppato da questi ricercatori si basa su un metodo recentemente introdotto per manipolare la localizzazione della generazione di portatori di carica dipendente dalla lunghezza d'onda nelle fotodiodi. Questa tecnica si basa sull'uso di un contatto a tre strati composto da un contatto trasparente posteriore, uno spaziatore ottico e un riflettore posteriore.

Il team ha combinato questo contatto con un diodo Schottky e una giunzione eterogiunzione bulk ternaria organica, per creare un fotodetettore organico di tipo fotomoltiplicazione (PM-OPD). I dati raccolti da questo fotodetettore sono stati quindi analizzati da un algoritmo di ricostruzione.

"L'approccio consente la ricostruzione computazionale di uno spettro di luce incidente dai fotocorrenti misurate sotto un insieme di differenti tensioni di polarizzazione," hanno scritto He, Li e i loro colleghi. "Il dispositivo, che ha una superficie di 0.0004 cm2, è in grado di operare su scala ampia su tutta la lunghezza d'onda visibile con una risoluzione inferiore a 5 nm."

I ricercatori hanno valutato il loro spettroscopio ottico miniaturizzato in una serie di test e hanno constatato che ha ottenuto risultati notevoli, operando su tutta la gamma dello spettro visibile (~400-760 nm) con una risoluzione inferiore a 5 nm. Per dimostrare ulteriormente il potenziale del loro progetto, lo hanno utilizzato per fabbricare una matrice di sensori spettroscopici 8 x 8 per l'imaging iperspettrale (cioè una tecnica che può rilevare le firme spettrali uniche di specifici oggetti elaborando le informazioni su tutta la gamma dello spettro elettromagnetico).

In futuro, il nuovo approccio introdotto in questo articolo potrebbe ispirare lo sviluppo di altri spettroscopi ottici microscopici e più accessibili. Questi dispositivi potrebbero, a loro volta, essere utilizzati per creare nuove tecnologie all'avanguardia che potrebbero far avanzare la ricerca e le pratiche mediche.

Maggiori informazioni: 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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