国内研发可独立工作的新型便携式光学传感器

这项技术解决了传统光学传感器技术依赖于外部光谱分析和成像设备的瓶颈问题,非常适合于现场快检、可穿戴应用和低可用资源应用等场景。

  光学传感器技术具有高精度、并行、可成像和无标记的技术特点,在生物学、新药研发、环境监测、微量物质检测、食品安全等方面具有重要应用价值。

  近期,暨南大学陈沁教授和文龙副教授研究团队提出并展示了一种直接电读出的单片集成宽光谱光学传感器,通过在金属-硅纳米异质结体系中集成光学共振传感和宽光谱光电转换双功能,不仅获得了高传感灵敏度和覆盖可见到近红外波段的工作波段,而且实现了不依赖于外界光谱仪或者探测成像设备的独立工作。相关研究成果发表在国际知名期刊《ACS Nano》上。

  光学传感器的灵敏度主要由光与被测物的相互作用来决定。光学共振结构,例如光学微腔、光子晶体、超材料、表面等离子体共振结构等,常被用来提高光与被测物的相互作用,并展示了极高的灵敏度。

  然而,现有绝大多数光学共振传感技术,依赖于外部的光谱分析设备和成像探测设备,受限于这些昂贵、复杂和庞大的精密仪器,光学传感技术一直停留在实验室阶段成为一种研究手段,在传感器应用市场上无法与电学和化学等其他类型传感器竞争。

国内研发可独立工作的新型便携式光学传感器

图1 (a)金属-硅纳米异质结光学传感器结构示意图;(b)宽光谱光电转换机制;(c)片上直接电读出光学传感的工作原理。资料图

  针对上述瓶颈问题,研究人员提出了一种片上直接电读出式光学传感的技术思想。如图1所示,在金-硅异质结形成的纳米光栅结构中,金光栅支持电磁场表面强局域的表面等离子体共振,从而显著增强光与被测物的相互作用;同时利用浅光栅结构抑制辐射损耗,获得极窄线宽的光学共振吸收,提高光学传感FOM;利用金-硅异质结中的硅材料带间跃迁机制和光子内发射机制分别将能量大于硅材料禁带宽度的光子和亚带隙光子转换为电信号,从而实现高性能光学传感与光电转换功能的一体化集成,开辟了单片集成的直接电读出式光学传感的新技术途径。

  此器件利用stepper光刻等CMOS兼容工艺在6英寸硅晶圆上高产率制备,具备低成本大规模应用的能力。得益于这种全新的光传感技术,实现了不依赖于外部光谱仪和成像探测设备的独立工作模式,而且器件传感检测性能优异,具有极窄线宽的光学共振吸收(<10nm),极高的器件优值(FOM>190),宽光谱工作范围(700-1700nm)和超高的检测精度(10-6 RIU),通过将传感器单元形成阵列还可以获得多标志物并行检测和分子指纹识别的检测能力。

国内研发可独立工作的新型便携式光学传感器


图2 (a)金属-硅纳米异质结共振光栅结构扫描电镜图和相机照片;(b)窄带共振吸收光谱;(c)和(d)是此传感器分别在高于硅材料带隙和亚带隙波长处进行不同浓度酒精水溶液实时检测的电读出信号。

  据悉,这项技术解决了传统光学传感器技术依赖于外部光谱分析和成像设备的瓶颈问题,非常适合于现场快检、可穿戴应用和低可用资源应用等场景。

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