熱發(fā)射光譜在環(huán)境監(jiān)測(cè)、天體物理、醫(yī)學(xué)診斷和藥物研發(fā)等領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注和利用。基于微機(jī)電系統(tǒng)的紅外光源雖然有效縮小了器件體積，但仍存在光譜分布范圍廣、發(fā)射率較低等缺點(diǎn)，通過(guò)對(duì)微納結(jié)構(gòu)的合理利用，可以控制熱發(fā)射的光譜特性，有效提高窄帶發(fā)射性能。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，電子科技大學(xué)長(zhǎng)三角研究院和光電科學(xué)與工程學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)在《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》期刊上發(fā)表了以“基于微納結(jié)構(gòu)的MEMS紅外窄帶熱光源及其應(yīng)用”為主題的文章。該文章第一作者為李若禺，通訊作者為郭小偉。

本文對(duì)MEMS熱輻射紅外光源技術(shù)原理進(jìn)行了介紹，并對(duì)基于不同微納結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)紅外窄帶光源的研究進(jìn)展進(jìn)行了歸納總結(jié)，最后討論了MEMS紅外窄帶熱光源在氣體傳感、熱光伏發(fā)電、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

MEMS熱輻射紅外光源基本原理

MEMS紅外光源的常用結(jié)構(gòu)是如下圖1所示的懸浮電阻結(jié)構(gòu)，最底層是硅基底，上層沉積支撐層和發(fā)熱電阻，表面可以附加一層微納結(jié)構(gòu)。其中，支撐層常常采用SiO?與Si?N?的復(fù)合結(jié)構(gòu)，這是由于SiO?薄膜具有壓應(yīng)力，并且有良好的絕熱性，Si?N?具有張應(yīng)力，機(jī)械強(qiáng)度大，二者的復(fù)合結(jié)構(gòu)可以綜合上述各自優(yōu)點(diǎn)，平衡薄膜內(nèi)的殘余應(yīng)力，減小高溫下的形變量，使性能長(zhǎng)期穩(wěn)定。發(fā)熱電阻采用多晶硅或金屬材料，保證加熱電阻在長(zhǎng)時(shí)間高溫環(huán)境下不發(fā)生漂移。

MEMS熱輻射紅外光源是通過(guò)電阻發(fā)熱進(jìn)而激發(fā)產(chǎn)生紅外輻射。在外界電壓的作用下，熱電阻由于焦耳效應(yīng)產(chǎn)生熱輻射，輻射區(qū)能量按照能量守恒定律由圖1所示的三種途徑進(jìn)行傳播：輻射區(qū)的熱輻射傳導(dǎo)ER、空氣對(duì)流傳導(dǎo)EV、經(jīng)過(guò)支撐層傳遞至硅基底的結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)EC。

圖1 MEMS紅外熱光源常見(jiàn)結(jié)構(gòu)及能量流動(dòng)示意圖

提高吸收率的一種方法是直接采用物質(zhì)本身吸收率較高的材料，例如黑硅、銅錳氧化物等等，但是這種方法不易控制發(fā)射波長(zhǎng)及發(fā)射帶寬。另一種方法則是利用光學(xué)微納結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用，提高特定波長(zhǎng)的吸收率。通過(guò)人為控制結(jié)構(gòu)尺寸，可以實(shí)現(xiàn)在共振波長(zhǎng)處的完美吸收（即實(shí)現(xiàn)最大輻射）。

基于微納結(jié)構(gòu)的窄帶光源

光子晶體

光子晶體是一種具有周期性折射率或介電常數(shù)的材料，如圖2所示為不同維度的光子晶體的示例圖。許多理論和實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，這種特殊的幾何形狀和周期性可以產(chǎn)生獨(dú)特的光學(xué)傳輸現(xiàn)象。光子晶體的周期性結(jié)構(gòu)可以與金屬薄膜表面的等離子體共振效應(yīng)相互作用，從而使得特定波長(zhǎng)的光在表面上得到增強(qiáng)。通過(guò)調(diào)控光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)共振頻率的調(diào)節(jié)，從而創(chuàng)建諧調(diào)到特定波段的紅外窄帶光源。

圖2 一維、二維和三維光子晶體的簡(jiǎn)易示例圖

借助上述思想，2002年，M.U.Pralle等人在硅基正方晶格光子晶體表面鍍制一層金屬膜激發(fā)表面等離子體模式，實(shí)現(xiàn)了δλ/λ≤0.2的窄帶紅外光源，在窄帶光譜范圍內(nèi)吸收率達(dá)90%以上。次年，美國(guó)的I.El-Kady等人利用硅基六角晶格光子晶體，證明通過(guò)改變二維光子晶體的晶格尺寸，可靈活調(diào)控發(fā)射波段，結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)光譜圖如圖3所示。

圖3 (a)基于光子晶體的窄帶發(fā)射器橫截面示意圖；(b)數(shù)值建模示意圖；(c)發(fā)射光譜圖

類(lèi)似的有，復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出并制備了一種具有窄帶寬發(fā)射特性的高性能等離子體熱發(fā)射器。如圖4所示，研究人員使用電子束蒸發(fā)法令鉑金屬涂層覆蓋在表面具有周期性光子晶體結(jié)構(gòu)的硅襯底上，通過(guò)調(diào)控PC晶格常數(shù)可實(shí)現(xiàn)頻譜調(diào)諧。

圖4 基于光子晶體的熱發(fā)射器

日本Takuya Inoue團(tuán)隊(duì)將半導(dǎo)體量子阱與二維光子晶體腔結(jié)合，獲得了窄而強(qiáng)的熱輻射光譜，圖5(a)為該腔體在600K時(shí)的輻射光譜與同溫度下黑體輻射光譜對(duì)比。對(duì)其性能進(jìn)行分析可得，該結(jié)構(gòu)的輻射強(qiáng)度可達(dá)到黑體輻射的80%，輻射中心波長(zhǎng)11 μm，F(xiàn)WHM為0.11 μm。

圖5 (a)設(shè)計(jì)腔體在600K時(shí)的局部輻射光譜（實(shí)線）及相同溫度下的黑體輻射（虛線）；(b)基于形成2D光子晶體板的多量子阱棒的發(fā)射器示意圖，頂部插圖為量子阱的兩個(gè)傳導(dǎo)子帶，底部插圖為諧振模式的面內(nèi)電場(chǎng)Ex分布；(c)具有GaN/AlGaN多量子阱和三角晶格光子晶體結(jié)構(gòu)的藍(lán)寶石襯底上的GaN基熱發(fā)射器示意圖

光柵

光柵也是光學(xué)領(lǐng)域常用的一種微納結(jié)構(gòu)，研究人員通常在極性材料或金屬表面設(shè)計(jì)光柵用來(lái)調(diào)整表面發(fā)射率，從而獲得單色和定向的發(fā)射峰。如圖6所示為光柵將熱產(chǎn)生的表面波耦合至自由空間的原理圖。極性材料（如SiC、GaP等）可激發(fā)表面聲子偏振子（SPhP），使用金屬材料可在表面激發(fā)表面等離子激元（SPP），入射光和SPhP/SPP之間的動(dòng)量失配可以通過(guò)在材料界面上圖案化的光柵來(lái)彌補(bǔ)。

圖6 光柵將熱表面波耦合到自由空間原理圖

2008年日本團(tuán)隊(duì)在Au表面上刻蝕了窄而深的亞波長(zhǎng)光柵，由于SPP的橫向磁極化性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了線性偏振的窄帶熱發(fā)射光譜。同年，Gabriel Biener等人在圖7(a)所示的硅基光柵表面鍍制金膜。2011年，Katsuya Masuno等人同樣基于SPP效應(yīng)研發(fā)了一種多波長(zhǎng)可選擇的MEMS紅外窄帶光源。整個(gè)器件由如圖7(b)所示的上下兩部分組成。

圖7 (a)光柵的原子力顯微鏡圖像；(b)基于SPP的窄帶光源結(jié)構(gòu)圖

此外，一些光柵結(jié)構(gòu)也實(shí)現(xiàn)了向二維方向的拓展，使TE、TM兩個(gè)極化方向產(chǎn)生相干的熱發(fā)射成為可能。如圖8所示為SiC交叉狹縫光柵結(jié)構(gòu)示意圖及光譜發(fā)射圖。

圖8 (a)交叉狹縫光柵樣品SEM圖；(b)在垂直于表面的方向上實(shí)際發(fā)射率光譜（點(diǎn)）和計(jì)算發(fā)射率光譜（虛線）

除了利用表面等離激元共振的方法，2021年，Kaili Sun等人利用準(zhǔn)連續(xù)體束縛態(tài)（QBIC）原理，提出了一種新型超窄帶寬的中紅外熱光源。如下圖9所示，該團(tuán)隊(duì)在由導(dǎo)電襯底支撐的平板上，設(shè)計(jì)了具有相同間距、不同條紋寬度的交錯(cuò)光柵結(jié)構(gòu)。

圖9 (a)基于交錯(cuò)光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)支持的BIC共振的新型熱發(fā)射器的示意圖模型；(b) 結(jié)構(gòu)的單個(gè)單元的橫截面圖

2021 年英國(guó)Yusuf Abubakar等人提出一種基于等離子體堆疊光柵（PSG）的新方法來(lái)實(shí)現(xiàn)窄帶熱光源發(fā)射。所提出的PSG結(jié)構(gòu)如圖10(a)所示，二維金屬納米結(jié)構(gòu)陣列在沿Z方向排列的布拉格光柵（BG）頂部。如圖10(b)所示，發(fā)射諧振峰出現(xiàn)在BG的帶隙內(nèi)，通過(guò)調(diào)控BG 的帶隙可以顯著縮小發(fā)射光譜的FWHM至0.1 μm以下。

圖10 (a)基于等離子體堆疊光柵的光源結(jié)構(gòu)示意圖；(b) PSG在TM偏振正常入射下的發(fā)射率、反射率和透射率光譜

超表面

超表面是一類(lèi)在表面上構(gòu)造平面結(jié)構(gòu)的新型超材料，它提供了一種非傳統(tǒng)的方法來(lái)操縱光行為和熱輻射。基于超表面的熱發(fā)射器大多數(shù)采用金屬-絕緣體-金屬（MIM）配置，如下圖11(a)、(c)所示，細(xì)金屬的周期性陣列實(shí)現(xiàn)超表面結(jié)構(gòu)，對(duì)紅外波段的光具有電磁共振響應(yīng)。以圖11(b)中十字型超表面為例，當(dāng)MEMS紅外光源通過(guò)熱輻射將電磁波傳遞給超表面時(shí)，符合電磁共振的電磁波會(huì)在超表面中共振并輻射，其余波段的光則不會(huì)共振輻射，因此可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的選擇性發(fā)射。目前，由超表面帶來(lái)的獨(dú)特的現(xiàn)象已經(jīng)得到證實(shí)，如多波段、極化、定向發(fā)射和完美發(fā)射等，這是傳統(tǒng)材料所不具備的，這在一定程度上減輕了我們對(duì)傳播效應(yīng)的依賴(lài)，并帶來(lái)了新的應(yīng)用前景，大大提高了現(xiàn)有器件的性能。

圖11 超表面原理圖：(a)十字型超表面MEMS紅外光源；(b)光在MIM結(jié)構(gòu)超表面?zhèn)鞑ィ?c)方型超表面結(jié)構(gòu)

2012年，Jun Tae Song等人提出一種基于TiN/SiO?/TiN三層夾層結(jié)構(gòu)的窄帶紅外發(fā)射器，通過(guò)調(diào)控圖12所示表面方形圖案的周期和大小來(lái)控制波長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)將發(fā)射波長(zhǎng)分別為7.68 μm和7.88 μm的窄帶紅外發(fā)射器應(yīng)用于氣體傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種氣體的選擇性響應(yīng)。

圖12 制造的紅外發(fā)射器的SEM圖像

2014年，Miyazaki等人研發(fā)了一款與偏振和角度無(wú)關(guān)的雙波段超材料熱輻射光源，如圖13所示。Alexander Lochbaum團(tuán)隊(duì)提出一種基于超材料的片上窄帶光源，整體結(jié)構(gòu)及局部放大見(jiàn)圖14。2023年，Kali Sun等人用實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬證明了導(dǎo)電襯底上全介電超表面支持的QBIC模式可以實(shí)現(xiàn)在中紅外工作的超窄帶熱發(fā)射器。結(jié)構(gòu)示意圖如下圖15所示。

圖13 (a)雙波段超表面熱發(fā)射器的結(jié)構(gòu)；(b)垂直方向的發(fā)射光譜

圖14 (a)片上窄帶光源結(jié)構(gòu)示意圖；(b) MPE單個(gè)晶胞結(jié)構(gòu)示意圖，圖中箭頭為共振時(shí)場(chǎng)強(qiáng)方向（紅色箭頭為電場(chǎng)E，藍(lán)色箭頭為磁場(chǎng)H）

圖15 導(dǎo)電襯底上全介電超表面示意

紅外窄帶光源的應(yīng)用

氣體傳感器光源

由于CO?、CO、CH?等可產(chǎn)生偶極矩變化的氣體分子會(huì)與紅外光發(fā)生共振并且吸收該部分紅外光，并且不同種類(lèi)的氣體只會(huì)與特定波長(zhǎng)的紅外光發(fā)生共振。不同的氣體濃度會(huì)影響紅外光被吸收能量的多少，因此利用上述特性，我們可以通過(guò)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)處紅外輻射能量的變化來(lái)得到對(duì)應(yīng)氣體的濃度值。圖16(a)為總結(jié)的2~15 μm常見(jiàn)的氣體吸收光譜，許多氣體的吸收譜有重疊部分。為更準(zhǔn)確、靈敏地監(jiān)測(cè)某種特定氣體濃度含量，采用紅外窄帶光源可以將能量集中在目標(biāo)氣體波長(zhǎng)附近，提高了檢測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確性。圖16(b)、(c)為利用寬帶光源和窄帶光源進(jìn)行氣體檢測(cè)的對(duì)比，與寬帶光源相比，使用窄帶光源大大增加了能量利用率，簡(jiǎn)化了制作工藝降低了成本。

圖16 (a)氣體吸收光譜圖；(b)傳統(tǒng)氣體傳感器與(c)應(yīng)用窄帶光源的氣體探測(cè)器

熱光伏發(fā)電

近紅外和可見(jiàn)光的熱發(fā)射可以通過(guò)太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換為電能，該過(guò)程被稱(chēng)為熱光伏（TPV）發(fā)電。TPV發(fā)電作為光伏（PV）和熱能工程領(lǐng)域的新嘗試而備受關(guān)注。在TPV發(fā)電時(shí)，位于PV電池帶隙的頻率范圍之外的熱發(fā)射通過(guò)電池而不被吸收，導(dǎo)致功率轉(zhuǎn)換效率降低。開(kāi)發(fā)高性能TPV發(fā)生器的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)熱輻射光譜與PV電池的光譜響應(yīng)之間的光譜匹配，后者通常位于可見(jiàn)光和近紅外區(qū)域之間。為此，研究人員將研究目光轉(zhuǎn)向紅外窄帶熱發(fā)射器，使其發(fā)射率僅在PV電池的敏感區(qū)域較高，在PV電池的敏感區(qū)域外較低，提高了熱光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率和性能，為熱能轉(zhuǎn)換成電能提供了一種創(chuàng)新的方法。日本豐田技術(shù)研究所通過(guò)加熱W光柵，使其發(fā)射1.6~1.9 μm波段內(nèi)的熱光譜，圖17為裝置示意圖。

圖17 TPV發(fā)電示意圖

生物醫(yī)學(xué)

中紅外成像已成為研究組織學(xué)切片、細(xì)胞培養(yǎng)物等生物樣品的可靠工具。對(duì)比傳統(tǒng)的可見(jiàn)光顯微鏡通常需要對(duì)標(biāo)記物單獨(dú)切片并染色才能觀察其形態(tài)，中紅外成像無(wú)需染色即可提供組織切片的無(wú)數(shù)標(biāo)記物的信息。利用紅外窄帶熱光源結(jié)合紅外光譜分析技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物體內(nèi)部組織和器官的非侵入性檢測(cè)和成像。例如在早期癌癥診斷和術(shù)中協(xié)助中，利用中紅外內(nèi)窺鏡光譜成像，可以通過(guò)繪制癌癥邊緣圖對(duì)胃腸道內(nèi)科及婦科領(lǐng)域進(jìn)行癌癥篩查。這對(duì)于研究動(dòng)物模型的生理功能、疾病診斷和治療等方面都具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

紅外窄帶熱光源也可以用于細(xì)胞培養(yǎng)中的紅外照明。細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中，一些實(shí)驗(yàn)需要對(duì)細(xì)胞進(jìn)行光刺激或光誘導(dǎo)，以觀察和研究細(xì)胞的行為和反應(yīng)。而紅外窄帶熱光源可以提供紅外照明光源，使研究人員能夠針對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外光對(duì)細(xì)胞進(jìn)行照射或激活，如圖18所示為近紅外光激活巨噬細(xì)胞(Oxa(Ⅳ)@ZnPc@M)的過(guò)程。此外，紅外光還可以進(jìn)行光生物調(diào)節(jié)效應(yīng)，在神經(jīng)調(diào)控、傷口愈合和癌癥治療等領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

圖18 近紅外光激活巨噬細(xì)胞(Oxa(Ⅳ)@ZnPc@M)的過(guò)程

總結(jié)

綜上所述，利用波長(zhǎng)尺度周期性微納結(jié)構(gòu)中的光學(xué)共振可以自由控制熱發(fā)射光譜。基于微納結(jié)構(gòu)的MEMS紅外窄帶熱光源研究對(duì)提高光譜分辨率、改善生物醫(yī)學(xué)成像性能以及促進(jìn)紅外材料和器件的發(fā)展具有重要意義。通過(guò)選擇合適的納米結(jié)構(gòu)類(lèi)型，可以控制熱發(fā)射光譜從單峰到多波段、線性偏振或偏振不敏感、發(fā)射波長(zhǎng)從近紅外到中紅外。

表1為不同微納結(jié)構(gòu)熱光源的性能對(duì)比。基于光子晶體及光柵的熱光源表現(xiàn)出更強(qiáng)的窄帶發(fā)射特性，F(xiàn)WHM值和基于超表面的熱光源相比要小兩倍以上。通過(guò)調(diào)整光柵或光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)可實(shí)現(xiàn)選擇性發(fā)射，但是其結(jié)構(gòu)易受溫度影響且對(duì)加工精度要求較高，結(jié)構(gòu)的微小偏差會(huì)影響發(fā)射峰值的位置和寬度。基于超表面的熱光源常常選用MIM夾層結(jié)構(gòu)，但由于金屬層的強(qiáng)自由載流子吸收，會(huì)在廣泛的波長(zhǎng)范圍內(nèi)造成不必要的非零發(fā)射，還會(huì)導(dǎo)致共振波長(zhǎng)處熱發(fā)射峰的擴(kuò)大，因此FWHM通常較大。為降低金屬損耗帶來(lái)的影響，研究人員逐漸把目光放在低損耗金屬或者電介質(zhì)上，使基于超表面的窄帶光源發(fā)射性能得到有效改善，降低了FWHM值。

表1 不同微納結(jié)構(gòu)熱光源性能對(duì)比

未來(lái)MEMS紅外窄帶光源的發(fā)展將圍繞提高光源效率、增強(qiáng)器件結(jié)構(gòu)與性能的穩(wěn)定性、進(jìn)一步縮小器件尺寸和降低成本等方面，致力于實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)穩(wěn)定的窄帶發(fā)射光譜。此外，MEMS紅外窄帶熱光源完全兼容標(biāo)準(zhǔn)COMS材料和工藝，可為新一代高度集成的片上光源開(kāi)辟道路，還可以通過(guò)與其他傳感器或器件進(jìn)行集成，從而實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的成像和檢測(cè)應(yīng)用。

審核編輯：黃飛

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