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光分析“芯片实验室”为便携式光谱仪的广泛使用打开了大门 精选

已有 4020 次阅读 2022-10-31 20:32 |个人分类:新科技|系统分类:博客资讯

光分析“芯片实验室”为便携式光谱仪的广泛使用打开了大门

诸平

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Spectrometer on a chip. Credit: Oregon State

据美国俄勒冈州立大学(Oregon State University简称OSU20221029日报道,光分析“芯片实验室”为便携式光谱仪的广泛使用打开了大门(Light-analyzing 'lab on a chip' opens door to widespread use of portable spectrometers)。

一个由芬兰(Finland)、中国、英国、韩国以及美国科学家组成的研究团队,开发出了一种更好的测量光线的工具,为光谱学量测(optical spectrometry)领域做出了贡献,从而可以改善从智能手机摄像头到环境监测的一切。

这项由芬兰阿尔托大学(Aalto University, Espoo, Finland)领导,与来自中国、美国、英国以及韩国科学家的合作研究,其结果于20221020日已经在《科学》(Science)杂志网站发表——Hoon Hahn YoonHenry A. Fernandez, Fedor Nigmatulin, Weiwei Cai, Zongyin Yang, Hanxiao Cui, Faisal Ahmed, Xiaoqi Cui, Md Gius Uddin, Ethan D. MinotHarri LipsanenKwanpyo KimPertti HakonenTawfique HasanZhipei Sun.  Miniaturized spectrometers with a tunable van der Waals junction. Science, 20 Oct 2022, 378 (6617): 296-299. DOI: 10.1126/science.add8544. https://www.science.org/doi/10.1126/science.add8544

参与此项研究的除了来自芬兰阿尔托大学的研究人员之外,还有来自中国上海交通大学(Shanghai Jiao Tong University)、浙江大学(Zhejiang University, Hangzhou, China)、四川大学(Sichuan University, Chengdu, China);美国俄勒冈州立大学、英国剑桥大学(University of Cambridge, UK.)以及韩国延世大学(Yonsei University, Seoul, Republic of Korea)的研究人员。

多国研究人员合作研制出了一种功能强大、超小型的光谱仪(ultra-tiny spectrometer),该光谱仪安装在微芯片上,由人工智能操作。

这项研究涉及到了一种相对较新被称为二维半导体的超薄材料,其成果是一种光谱仪的概念验证,这种光谱仪可以很容易地应用到各种技术中,包括质量检测平台、安全传感器、生物医学分析仪和太空望远镜。

俄勒冈州立大学理学院(OSU College of Science)的物理教授伊桑·迈诺特(Ethan D. Minot)说:“我们展示了一种制造光谱仪的方法,这种方法比现在通常使用的光谱仪更加微型化。光谱仪可以测量不同波长的光的强度,在许多行业和所有科学领域中都非常有用,用于识别样品和鉴定材料。

伊桑·迈诺特说,传统的光谱仪需要笨重的光学和机械部件,而新的设备可以安装在人的头发末端。新的研究表明,这些组件可以被新型半导体材料和人工智能所取代,从而使光谱仪的尺寸从目前最小的尺寸(大约只有葡萄大小)大幅缩小。

与阿尔托大学的同事孙志培(Zhipei Sun音译)共同领导这项研究的Hoon Hahn Yoon说:“我们的光谱仪不需要组装单独的光学和机械组件(mechanical components),也不需要阵列设计(array designs)来分散和过滤光线。此外,它可以实现与台式系统相媲美的高分辨率,但封装要小得多。”

研究人员说,该设备可以百分之百地通过电控方式控制其吸收的光的颜色,这给了它巨大的可扩展性和广泛的可用性潜力。

Hoon Hahn Yoon说:“将它直接集成到智能手机和无人机等便携式设备(portable devices)中,可以改善我们的日常生活。想象一下,我们的下一代智能手机摄像头(smartphone cameras)可能是高光谱摄像头(hyperspectral cameras)。”

这些高光谱摄像机不仅可以捕获和分析可见光波长的信息,还可以进行红外成像和分析。

伊桑·迈诺特说:“令人激动的是,我们的光谱仪为各种新的日常设备和仪器提供了可能,也为开展新的科学研究提供了可能。”

例如,在医学领域,光谱仪已经被用于检测其识别人体组织细微变化,例如肿瘤和健康组织的区别。

伊桑·迈诺特补充说,在环境监测(environmental monitoring)方面,光谱仪可以准确地检测空气、水或地面中的污染,以及污染程度。他说:“如果有低成本的便携式光谱仪为我们做这项工作,那将是一件好事。在教育环境中,使用便宜、紧凑的光谱仪,动手教授科学概念会更有效。”

迈诺特说,面向科学爱好者的应用也有很多。他说:“如果你对天文学感兴趣,你可能会对用望远镜观测到的光谱信息感兴趣,然后利用这些信息来识别恒星或行星。如果地质学是你的爱好,你可以通过测量宝石吸收的光谱来识别宝石。”

伊桑·迈诺特认为,随着二维半导体研究的不断进步,“我们将迅速发现利用其新颖的光学和电子特性的新方法。”2D半导体的研究已经认真进行了十几年,首先是石墨烯的研究,石墨烯是一种厚度只有一个原子的蜂窝状晶格中排列的碳。

伊桑·迈诺特说:“这真的很令人兴奋。我相信,通过研究二维半导体,我们将继续取得有趣的突破。”

本研究得到了H2020欧洲研究理事会(H2020 European Research Council: 834742)、工程和物理科学研究委员会(Engineering and Physical Sciences Research Council: EP/T014601/1)、中国国家自然科学基金会(National Natural Science Foundation of China: 51976122; 52061135108)以及芬兰科学院(Suomen Akatemia: 314810; 333982; 336144; 336818; 320167; 348920; 336813)的资助

上述介绍,仅供参考。欲了解更多信息,敬请注意浏览原文或者相关报道

挖掘隐藏的视觉信息:可检测数千种颜色的一体化探测器(Tapping hidden visual information: An all-in-one detector for thousands of colors

Miniaturizing spectrometers

High-resolution spectrometry tends to be associated with bench-sized machines. Recent efforts on computational spectrometers have shown that this physical footprint can be shrunk by using nanowires and two-dimensional (2D) materials, but these devices are often associated with limited performance. Yoon et al. developed a single-detector computational spectrometer using an electrically tunable spectral response of a single junction comprising 2D van der Waal materials (see the Perspective by Quereda and Castellanos-Gomez). The electrically tunable spectral response and high performance of the tiny detector are promising for the further development of computational spectrometers. —ISO

Abstract

Miniaturized computational spectrometers, which can obtain incident spectra using a combination of device spectral responses and reconstruction algorithms, are essential for on-chip and implantable applications. Highly sensitive spectral measurement using a single detector allows the footprints of such spectrometers to be scaled down while achieving spectral resolution approaching that of benchtop systems. We report a high-performance computational spectrometer based on a single van der Waals junction with an electrically tunable transport-mediated spectral response. We achieve high peak wavelength accuracy (0.36 nanometers), high spectral resolution (3 nanometers), broad operation bandwidth (from 405 to 845 nanometers), and proof-of-concept spectral imaging. Our approach provides a route toward ultraminiaturization and offers unprecedented performance in accuracy, resolution, and operation bandwidth for single-detector computational spectrometers.



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