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Science二维半导体材料新研究:能放上头发丝的超微型光谱仪

2022-11-22

光谱仪在很多领域都是必不可少的设备,包括工业检测、化学和生物表征以及图像传感和分析等等。为了满足行业新兴的应用及未来对便携的更高需求,光谱仪亟需在维持其高分辨率和大工作带宽的情况下小型化。

传统的光谱系统通常都很依赖笨重的光学和机械部件,而近日,一支由多国科学家构成的联合研究团队开发了一种能够安装在发梢的超微型光谱仪。借助微芯片及人工智能,这种功能强大的光谱仪可以实现从智能手机摄像头到环境监测的多领域光测量方式。

这项研究由芬兰阿尔托大学领导,10月20日发表在《科学》杂志上。它涉及一类相对较新的超薄材料——二维半导体,实现了高峰值波长精度(∼0.36纳米)、高光谱分辨率(∼3纳米)、大工作带宽(从405到845纳米)和概念验证光谱成像,不仅有望实现超小型化,也为单探测器计算光谱仪提供了前所未有的精度、分辨率和操作带宽性能。

论文截图

“我们已经展示了一种制造光谱仪的方法,这种光谱仪比今天通常使用的光谱仪要小得多。”俄勒冈州立大学科学学院物理学教授Ethan Minot说,“传统的光谱仪体积过大,而我们研究的新光谱仪可以从目前葡萄大小的尺寸缩小更多,甚至可以放在发梢。”

“我们的光谱仪不需要单独的光学和机械组件或阵列设计来分散和过滤光。”与阿尔托大学同事孙志培教授一起领导这项研究的Hoon Hahn Yoon说,“此外,它可以实现与台式系统相当的高分辨率,但封装要小得多。”

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研究团队研发的光谱仪 | 参考文献[2]

研究人员表示,该设备所吸收的光的颜色是100%可电控的,这使其具有巨大的可扩展性和广泛的应用潜力。“将其直接集成到智能手机和无人机等便携式设备中,可以改善我们的日常生活,” Hoon Hahn Yoon说,“想象一下,我们的下一代智能手机相机可能是高光谱相机,不仅可以捕获和分析来自可见光波长的信息,还可以进行红外成像和分析。

“我们的光谱仪为各种新的日常小工具以及新科学研究提供了更多可能性,这很令人兴奋。”Minot补充道,“在医学领域,可以通过光谱仪识别人体组织细微变化,例如肿瘤和健康组织之间的差异;对于环境监测,光谱仪可以准确检测空气、水或地面中的污染类型和污染量。如果有低成本的便携式光谱仪能够完成这些工作,那就太好了。在教育环境中,使用廉价、紧凑的光谱仪也有利于更有效地教授科学概念。”

对于以科学为导向的业余爱好者来说,光谱仪的应用也比比皆是。如果喜欢天文学,你可以用望远镜收集光谱并识别恒星或行星;如果喜欢地质学,你可以测量宝石的吸收光谱以鉴别真伪。

“随着二维半导体工作的进展,我们将迅速发现利用其新颖光学和电子特性的新方法。”Minot说,“二维半导体的研究才进行了十几年,这真的很令人兴奋。我相信之后的研究将取得更多有趣的突破。”

除了Minot,Yoon和孙志培之外,合作者还包括来自上海交通大学、浙江大学、四川大学、韩国延世大学和剑桥大学的科学家,以及阿尔托大学的其他研究人员。

参考文献

[1] Hoon Hahn Yoon et al, Miniaturized spectrometers with a tunable van der Waals junction, Science (2022). DOI: 10.1126/science.add8544.

[2] https://phys.org/news/2022-10-light-analyzing-lab-chip-door-widespread.html

编译:竹子

编辑:靳小明

排版:尹宁流

题图来源:参考文献[2]

研究团队

(共同)通讯作者/第一作者 Hoon Hahn Yoon:芬兰阿尔托大学电子与纳米工程系

(共同)通讯作者 孙志培:芬兰阿尔托大学电子与纳米工程系

论文信息

发布期刊 《科学》(Science

发布时间 2022年10月20日

论文标题 Miniaturized spectrometers with a tunable van der Waals junction

(DOI:https://doi.org/10.1126/science.add854)

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