微型光谱仪具备可调谐的分层有机半导体传感器

对于从事有线或无线频谱几乎任何部分工作的电气工程师来说，频谱分析仪是一个关键的测试和测量工具。对于光学工程来说，对应的工具是光谱仪，随着电子学和光学的接口、融合和重叠，光谱仪正日益成为电气工程师的重要工具。

虽然无线和光学都处理电磁能量，但实际上它们各自的射频和光学波段属性和对应的传感器有很大差异。即使关键参数——光谱每个定义切片的能量——是相同的，情况依然如此。传统上，能够在宽光带高分辨率工作时，需要配备滤光片、光栅和传感器的布置，这增加了复杂性和成本。

微型光谱仪可能会引领掌上型设备

材料的新发展正在重新定义这一局面。北卡罗来纳州立大学的研究人员成功展示了一台光谱仪，其体积比现有技术小好几个数量级，能够准确测量从紫外到近红外波段的光。

这项技术使得手持光谱设备能够实现，并为开发集成多款新传感器的设备，作为下一代成像光谱仪提供了前景。

除了如预期详细介绍他们的工作外，研究人员还细致地概述了微型光谱仪的替代方法及其权衡问题。

微型光谱仪的挑战与权衡

研究人员指出，此前实现微型化的努力伴随着频谱分辨率和作带宽的下降。

多种策略已被用于便携式或集成应用的规模化光谱仪，包括微型色散光学、窄带滤波器、基于傅里叶变换的系统以及基于计算重建的系统。

前三种策略由于光学路径长度限制以及色散光学器件的使用使其难以制成成像系统，难以扩展到亚毫米尺寸。基于重建的系统可以帮助减少或消除对外部光学元件的需求。

使用带空间调制的阵列通常需要更复杂的制造方案，且空间分辨率可能降低。电调制能够利用单个像素实现光谱重建，但调制探测器响应度需要时间。尽管如此，这种方法有潜力更紧凑、更易于成像阵列扩展，同时具有更快的探测速度。

利用半导体纳米线、黑磷、二维半导体、钙钛矿和有机半导体进行微型化光谱仪的重建演示已发表。基于黑磷、二维半导体和钙钛矿的器件采用外部电压偏置以实现光谱变化的响应。然而，这些演示在光学带宽、探测率或线性动态范围上均有限。

制造可重复的二维材料器件可能具有挑战性，尤其是在实现探测器阵列时。

有机光电探测器：新方法的关键

团队负责人、机械与航空航天工程教授布伦丹·奥康纳指出：“我们创造了一种能快速、低电压运行且对宽光谱敏感的光谱仪。”他补充说：“我们的演示原型只有几平方毫米的大小。这种高性能成像光谱仪不需要外部光栅或滤光片。”

该设备的关键是一个微型有机光电探测器（OPD），其活性面积为7.6 mm2，能够感测光与目标材料相互作用后的波长。对光电探测器施加不同电压会改变光探测器最敏感的光波长（见图1）。

1. 有机光电探测器（OPD）方法概述。

扫描光谱时，会对光电探测器施加一个斜振控制电压，从而调节其光谱响应。光谱仪单元随后测量在递增周期内的输出电压，对应于每个电压下捕获的光波长。这提供了足够的数据，使得利用测量到的光谱响应矩阵进行简单的计算重建，能够准确重现穿过或反射目标材料的光特征。

该光谱仪基于有机光电探测器，利用靶有机半导体（D18-Cl、L8BO、PTB7-Th和COTIC-4F）的互补光谱响应，采用“串联单元”设计。每个子细胞设计具有不同的吸收特性，且这些特性相互重叠（见图2）。

2. 微型化光谱仪的概念与工作原理：（A和B）串联OPD光谱仪中使用的有机半导体的化学结构（A）和吸收率（B）。（C）串联OPD光谱仪设备架构，具有层厚和依赖偏置的作。（D）OPD光谱仪外部偏置依赖响应度的示意图。

这些子细胞具有相反的极性，导致其光谱响应可偏置，对紫外到近红外波段（400至1000纳米）均敏感。偏置调谐电压低于1伏，使该传感器兼容电池供电设计，整个调谐扫描过程不到一毫秒。

前亚电池和后亚电池由一层高功相互作用层（聚（3,4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）和低功函数电子输运层（ZnO）氧化锌（ZnO）组成，位于细胞对侧。最后，探测器的前后电极由氧化铟锡（ITO）和银组成。

测试结果

团队评估了不同模式的性能，包括宽带和窄带模式（见图3）。他们使用高性能商用光谱仪作为比较标准。

3. 高分辨率波长解析能力和宽谱重建：（A） 588至624 nm的高分辨率光谱响应矩阵，训练步长为1 nm。（B）从单色仪的OPD重建的2纳米步长光谱，并与商业光谱仪参考进行对比。（C） 重建和参考光谱峰值波长与输入波长的关系，显示平均误差为0.18 nm。（D）使用商业光谱仪测量的光谱（参考），与绿光LED（左）和白光在不同颜色滤光片下的OPD重建光谱进行比较。

探测器表现出0.27 A/W的响应率，2.82/3.72微秒的升降时间，光学探测率为1.4 × 1012 Jones。[参数“x' Jones的光学探测度”指的是R.C. Jones在论文中定义的一种特定的光学探测器灵敏度单位，称为Jones。它是广泛使用的衡量器捕捉弱光信号能力的指标，定义为噪声等效功率（NEP）的倒数，归一化为探测器面积和带宽的平方根。]