Mikrostor optisk spektrometer fungerar över synligt spektrum med sub-5-nm upplösning

20 juli 2024

funktion

Den här artikeln har granskats enligt Science X:s redaktionella process och policyer. Redaktörer har markerat följande attribut samtidigt som de säkerställer innehållets trovärdighet:

• faktagranskad
• peer-reviewed publikation
• pålitlig källa
• korrekturläs

av Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Optiska spektrometrar är mångsidiga instrument som kan producera ljus och mäta dess egenskaper över specifika delar av det elektromagnetiska spektrumet. Dessa instrument kan ha olika möjliga tillämpningar; till exempel att hjälpa till med diagnosen av medicinska tillstånd, analysen av biologiska system och karakteriseringen av material.

Konventionella spektrometerkonstruktioner integrerar ofta avancerade optiska komponenter och komplexa underliggande mekanismer. Som ett resultat är de ofta skrymmande och dyra, vilket avsevärt begränsar deras användning utanför specialiserade anläggningar, såsom sjukhus, laboratorier och forskningsinstitut,

Under de senaste åren har en del elektronikingenjörer alltså försökt utveckla mer kompakta och prisvärda optiska spektrometrar som kan vara lättare att använda i stor skala. Dessa anordningar är vanligtvis antingen utvecklade enligt samma princip som ligger till grund för funktionen hos konventionella större spektrometrar eller via användning av arrayade bredbandsfotodetektorer, i samband med beräkningsalgoritmer.

Forskare vid det kinesiska universitetet i Hong Kong och andra institut i Kina designade och tillverkade nyligen en ny, bärbar och kostnadseffektiv optisk spektrometer i mikrostorlek. Denna alternativa spektrometer, som presenteras i en artikel publicerad i Nature Electronics, är baserad på en organisk fotodetektor med en bias-tunable spektral respons.

"Miniatyriserade optiska spektrometrar kan vara användbara i bärbara och bärbara applikationer", skrev Xie He, Yuanzhe Li och deras kollegor i sin tidning. "Sådana anordningar har vanligtvis varit baserade på arrayer av fotodetektorer som ger distinkta spektrala svar eller använder komplex miniatyriserad dispersiv optik. Men dessa tillvägagångssätt resulterar ofta i stora centimeterstora system. Vi rapporterar en optisk spektrometer i mikrostorlek som är baserad på en optisk-spacer-integrerad organisk fotodetektor av fotomultiplikationstyp med en bias-tunable spektral respons.

Den nya optiska spektrometern som utvecklats av dessa forskare är baserad på en nyligen introducerad metod för att manipulera den våglängdsberoende platsen för fotobärargenerering i fotodioder. Denna teknik bygger på användningen av en treskiktskontakt som består av en transparent bakkontakt, en optisk distans och en bakre reflektor.

Teamet kombinerade denna kontakt med en Schottky-diod och en organisk ternär bulk heterojunction, för att skapa en organisk fotodetektor av fotomultiplikationstyp (PM-OPD). Inspelningarna som samlades in av denna fotodetektor analyserades sedan med en rekonstruktionsalgoritm.

"Tillvägagångssättet tillåter beräkningsrekonstruktion av ett infallande ljusspektrum från fotoströmmar uppmätta under en uppsättning olika förspänningar," skrev He, Li och deras kollegor. "Enheten, som har ett fotavtryck på 0,0004 cm2, är kapabel till bredbandsdrift över hela den synliga våglängden med en upplösning under 5 nm."

Forskarna utvärderade sin miniatyriserade optiska spektrometer i en serie tester och fann att den uppnådde anmärkningsvärda resultat, som fungerade över hela det synliga spektrumet (~400–760 nm) med en upplösning under 5 nm. För att ytterligare demonstrera potentialen i deras design använde de den för att tillverka en 8 x 8 spektroskopisk sensoruppsättning för hyperspektral avbildning (dvs en teknik som kan upptäcka de unika spektrala signaturerna för specifika objekt genom att bearbeta information över det elektromagnetiska spektrumet).

I framtiden kan det nya tillvägagångssättet som introduceras i detta dokument inspirera till utvecklingen av andra liknande optiska spektrometrar i mikrostorlek och mer överkomliga. Dessa enheter skulle i sin tur kunna användas för att skapa ny spjutspetsteknik som kan främja forskning och medicinsk praxis.