利用薄膜紅外光源革新傳感器

范德比爾特大學(xué)和賓夕法尼亞州立大學(xué)的工程師開發(fā)出一種設(shè)計(jì)和制造具有近乎任意光譜輸出的薄膜紅外光源的新方法，并可能改變分子傳感技術(shù)。

該方法由熱量驅(qū)動(dòng)，并采用逆向設(shè)計(jì)（一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法），顯著減少了優(yōu)化這些設(shè)備所需的時(shí)間，從使用多核計(jì)算機(jī)的幾周或幾個(gè)月到消費(fèi)者桌面上的幾分鐘。

這些廉價(jià)、高效、設(shè)計(jì)精良的紅外光源可用于搜索和救援的紅外信標(biāo)、監(jiān)測(cè)工業(yè)氣體、環(huán)境污染物和毒素的分子傳感器，或用于自由空間通信，自由空間通信是一種利用光在自由空間中擴(kuò)散以無(wú)線方式傳輸電信或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的光通信技術(shù)。

新方法

目前，中長(zhǎng)波紅外范圍內(nèi)缺乏經(jīng)濟(jì)高效的窄帶光源。標(biāo)準(zhǔn)熱輻射源可以產(chǎn)生寬帶熱輻射，即在較寬的波長(zhǎng)范圍和較寬的角度范圍內(nèi)釋放的熱輻射。然而，這限制了它們的應(yīng)用范圍，例如白熾燈。

相比之下，激光器和發(fā)光二極管（LED）發(fā)射的是窄頻光，這使得它們成為眾多應(yīng)用的理想選擇，但也意味著它們效率低下且成本高昂。

波長(zhǎng)選擇性熱發(fā)射器 (WS-EM) 可以填補(bǔ)這一空白，它結(jié)合了激光器或 LED 的窄帶寬和熱發(fā)射器的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。然而，這種具有用戶自定義輸出光譜的熱發(fā)射器需要圖案化的納米結(jié)構(gòu)，并且需要采用高成本、低通量的方法制備。

由范德比爾特大學(xué)機(jī)械工程副教授 Joshua Caldwell 和賓夕法尼亞州立大學(xué)材料科學(xué)與工程教授 Jon-Paul Maria 領(lǐng)導(dǎo)的研究人員著手克服這些挑戰(zhàn)，同時(shí)創(chuàng)建更有效的流程。

他們的技術(shù)采用了簡(jiǎn)單的薄膜沉積技術(shù)，這是一種成熟的納米制造技術(shù)，可以將厚度在幾納米到約100微米之間的極薄材料薄膜涂覆到待涂覆的基材或表面上。該技術(shù)得益于材料和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的關(guān)鍵進(jìn)展。

該方法利用了半導(dǎo)體氧化鎘（CdO）的寬光譜可調(diào)性，以及由交替介電層制成的一維光子晶體（稱為分布式布拉格反射器）。這些交替的多層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了所謂的“塔姆極化子”，其中器件的發(fā)射波長(zhǎng)由這些層之間的相互作用決定。

此類設(shè)計(jì)此前僅限于單一波長(zhǎng)輸出，因?yàn)樵O(shè)計(jì)多個(gè)諧振點(diǎn)過(guò)于復(fù)雜。然而，為了匹配大多數(shù)分子的吸收光譜，在多個(gè)頻率下創(chuàng)建用戶可控制的波長(zhǎng)、線寬和強(qiáng)度的多個(gè)諧振點(diǎn)是必要的。

材料設(shè)計(jì)

確定最佳材料設(shè)計(jì)極具挑戰(zhàn)性，計(jì)算量巨大。由于高級(jí)應(yīng)用需要跨多個(gè)共振點(diǎn)的功能，因此需要采用新流程來(lái)大幅縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，從幾天或幾個(gè)月縮短到幾分鐘。

范德堡大學(xué)博士生何明澤（Mingze He）是《自然材料》雜志發(fā)表論文的主要作者，他提出了一種逆向設(shè)計(jì)算法，可以在幾分鐘內(nèi)在消費(fèi)級(jí)臺(tái)式機(jī)上計(jì)算出優(yōu)化結(jié)構(gòu)。他的算法能夠在任意光譜帶寬上同時(shí)匹配多個(gè)共振的選定發(fā)射波長(zhǎng)、線寬和振幅。

尋找一種允許電子密度具有較大動(dòng)態(tài)范圍的半導(dǎo)體材料也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，但該團(tuán)隊(duì)利用一種摻雜的半導(dǎo)體材料——氧化鎘——可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)特性的有意設(shè)計(jì)。

瑪麗亞的團(tuán)隊(duì)在賓夕法尼亞州立大學(xué)開發(fā)了這種材料，她表示：“這使得我們能夠以極低的成本和最少的制造步驟在晶圓級(jí)上制造先進(jìn)的中紅外光源?！?/p>

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)在賓夕法尼亞州立大學(xué)進(jìn)行，設(shè)備由何和考德威爾團(tuán)隊(duì)的畢業(yè)生J.瑞安·諾倫（J. Ryan Nolen）負(fù)責(zé)分類。該團(tuán)隊(duì)成功展示了逆向設(shè)計(jì)紅外光源的能力，該光源具有可設(shè)計(jì)頻率、線寬和振幅的單個(gè)或多個(gè)發(fā)射帶。

“氧化鎘材料的可調(diào)性與非周期分布布拉格反射器的快速優(yōu)化相結(jié)合，為設(shè)計(jì)具有用戶自定義輸出光譜的紅外光源提供了潛力，”考德威爾說(shuō)道。 “這些技術(shù)不僅在化學(xué)傳感領(lǐng)域具有直接的應(yīng)用潛力，還在環(huán)境傳感、遙感、光譜學(xué)以及紅外信號(hào)和通信等各種其他應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大的潛力?！?/p>

研究人員表示，這項(xiàng)工作使得無(wú)需光刻、晶圓級(jí)波長(zhǎng)選擇性熱發(fā)射器的開發(fā)成為可能，該發(fā)射器與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體兼容。

Caldwell 團(tuán)隊(duì)已將設(shè)計(jì)算法開源，可從《自然材料》網(wǎng)站上獲取。