Advanced Optical Materials:光谱仪中的“墨子号”——高探测率单根纳米线片上光谱仪

约2500年前墨子就关注过神奇的“光”产生的一系列现象;“赤橙黄绿青蓝紫,谁持彩练当空舞”毛主席用诗句赞叹了彩虹女神“Iris”的奥妙无穷,这是由于墨子关注的“光沿直线传播”遇到了具有“牛顿棱镜”作用的“微小雨滴”散射还原出来的太阳光谱。光无处不在,光谱分析已经深入到工业以及研究的各个重要的领域,通过光谱仪对光特性表征,人们可以获得关于物质“指纹”性的信息,从而可以推理出物质成分和结构特征。随着对可携带以及“on-site”、“in-vivo”测量的需求,光谱仪小型化已迫在眉睫:比如集成于智能手机拍照和生物传感功能,芯片上分子以及量子点的荧光、拉曼分析, 无人机携带户外测量,紧凑的太空实验室来分析来自遥远星球的“光线”…… 最近20年微型光谱仪的研究取得了非常大的发展,特别是先进微纳加工技术催生出丰富而精细的分光技术,而高探测率是实现真正芯片集成测试的最重要的因素之一。

南京大学电子科学与工程学院王肖沐团队和合作者针对这一关键问题提出了将光分析和探测集成于单根纳米线的光谱仪, 基于能带工程制备出能带渐变的CdSxSe1–x 纳米线。该纳米线对入射光具有优良的吸收率,并且连续变化的能带对入射光具有选择吸收的作用,这些光生载流子被沿着纳米线制备出肖特基二极管探测器阵列所探测,可以得到每个器件独特的光谱响应谱,结合实际测量每个器件的光电流大小,通过正则化方法求解逆问题对待测光源进行光谱重构。对于常用的光谱分析芯片,光与相互作用弱是的瓶颈问题。南京大学研究团队通过两个方案解决这一核心难点:首先,光电探测一般有光电导和二极管两种类型,研究者通过对金属/半导体界面设计对比了这两种类型器件的探测率发现,二极管型探测器的探测率高达1013Jones,比光导类型提高两个数量级以上。另一方面,具有高质量晶体纳米线本身支持波导模式传播,待测光经过耦合器从宽带隙端入射,沿着纳米线传播的过程中不断吸收并被探测,在一定范围内,该模式下的光电响应谱与正入射方式相吻合,这就为片上测量提供了优化方案,避免了片上测量过程中需要滤镜过滤激发光以及由于背入射引起的待测光源光谱改变。最后成功展示了使用该纳米线光谱仪测试片上材料光致发光谱,充分肯定了高探测率以及波导工作模式的片上测试优越性。相关成果发表于Adv. Optical Mater(DOI: 10.1002/adom.202000191) 。

该纳米线光谱仪被称为光谱仪中的“墨子号”主要由于其具有的三个特征:1,这是一项与“光”相关具有里程碑意义的工作,经过“能工巧匠”们精细设计,必将促进片上光谱仪广泛应用;2,该光谱仪是与“量子”相关的微型仪器,基于“量子”理论通过组分改变从而实现能带沿纳米线连续变化,实现单根纳米线光谱仪,大小不到100微米,而工纳米线粗细不到头发丝的百分之一;3,强光和物质相互作用和高探测率的优势使得该纳米线光谱仪具有片上太空弱光探测的潜力。值得一提的是,这种方法提供了一种制备片上光谱仪平台,目前采用的CdSxSe1–x 纳米线主要探测可见光波段,任何能带渐变的纳米线都可以替代该纳米线成为工作物质,探测光谱范围有望得到进一步扩展。到那时,片上实验室将成为现实,将片上光谱仪集成于智能手机上,人们可以用手机扫一扫就知道水果有无农药污染和成熟程度、还可以监测环境卫生,无人机可以携带片上光谱仪开展光谱分析工作,甚至可以植入人体进行疾病诊断……