背景

德國(guó)海德堡大學(xué) Jana Zaumseil 教授的團(tuán)隊(duì)研究新型半導(dǎo)體材料，重點(diǎn)研究電荷傳輸及其在光電器件中的應(yīng)用。該小組的研究重點(diǎn)之一是構(gòu)建和研究基于單壁碳納米管(SWCNT)的設(shè)備，單壁碳納米管是一種一維結(jié)構(gòu)，可以概念化為卷起的石墨烯片。與石墨烯相反，納米管可以是金屬的或半導(dǎo)體的，具體取決于它們的卷起矢量。通過(guò)聚合物分類，可以選擇不同的幾何形狀。納米管的一維性質(zhì)導(dǎo)致電子和空穴之間產(chǎn)生異常強(qiáng)的束縛態(tài)，從而產(chǎn)生室溫穩(wěn)定的激子，其在近紅外波段的發(fā)射具有窄發(fā)射特性。

利用化學(xué)功能化，這使得納米管成為新型光電器件的有前途的材料，例如超快晶體管、片上光電探測(cè)器或潛在的激光器。該小組實(shí)施了新的設(shè)備設(shè)計(jì)并證明了他們的操作概念。該實(shí)驗(yàn)室的博士生兼科學(xué)家 Jan Lüttgens 表示：“我工作的一個(gè)有趣的方面是我們可以自己制造真實(shí)的設(shè)備來(lái)證明其工作原理并在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試這些概念。”

在他的實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)的一個(gè)這樣的概念是通過(guò)將納米管嵌入光子結(jié)構(gòu)中來(lái)實(shí)現(xiàn)的，例如法布里-珀羅腔或等離子體晶體，以增強(qiáng)它們與電磁場(chǎng)的耦合。在適當(dāng)?shù)臈l件下，該裝置可以進(jìn)入強(qiáng)光-物質(zhì)耦合狀態(tài)，從而產(chǎn)生稱為激子-極化子的新混合態(tài)。強(qiáng)耦合機(jī)制需要優(yōu)化的設(shè)備設(shè)計(jì)，并且可以通過(guò)電接觸納米管來(lái)調(diào)節(jié)，以抑制材料中的激發(fā)或以電方式泵送新的混合態(tài)，甚至產(chǎn)生帶電光物質(zhì)粒子。納米管和空腔之間的強(qiáng)耦合也可用于制造可以吸收遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出本征納米管帶隙的光的光電二極管。

挑戰(zhàn)

納米管態(tài)和電磁場(chǎng)之間存在強(qiáng)耦合的指標(biāo)是反射率和發(fā)射中激子能量處的特征模式分裂。為了有效觀察模式結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)室使用了一種稱為傅立葉成像光譜學(xué)的技術(shù)。通過(guò)在光束路徑中插入額外的透鏡，可以通過(guò)一次性測(cè)量同時(shí)解析腔模結(jié)構(gòu)的動(dòng)量和能量。與基于掃描的技術(shù)相比，它通過(guò)使用二維探測(cè)器減少采集時(shí)間來(lái)提高測(cè)量效率。此外，模式結(jié)構(gòu)的斷層掃描可以通過(guò)簡(jiǎn)單地相對(duì)于探測(cè)器移動(dòng)傅里葉圖像來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于 NIR(或 SWIR)發(fā)射器，這需要對(duì) 1-1.7μm 波長(zhǎng)范圍敏感的相機(jī)。

然而，近紅外發(fā)射器通常存在光致發(fā)光量子產(chǎn)率低的問(wèn)題，并且低維材料在相對(duì)較低的激發(fā)功率下還表現(xiàn)出飽和效應(yīng)。因此，在線性狀態(tài)下工作需要低熱噪聲探測(cè)器，以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的積分時(shí)間。“在近紅外波段，材料的發(fā)射效率急劇下降，因此熱噪聲低是有好處的。”

解決方案

Zaumseil 小組的傅里葉成像裝置使用NIRvana 640 相機(jī)和等平面攝譜儀來(lái)增強(qiáng)檢測(cè)納米管器件和單管樣品的低光發(fā)射的能力。NIRvana 相機(jī)的二維 InGaAs 探測(cè)器在近紅外區(qū)域具有高量子效率，可以實(shí)現(xiàn)此類實(shí)驗(yàn)。相機(jī)的傳感器通過(guò)熱電冷卻至 -85?C，以減少傳感器上的暗電流，并且集成的冷屏蔽系統(tǒng)限制了熱背景輻射對(duì)測(cè)量的影響。這使得NIRvana 640非常適合測(cè)量可能需要幾秒或更長(zhǎng)積分時(shí)間的微弱信號(hào)，并結(jié)合 2D 探測(cè)器陣列的成像功能。

等平面光譜儀旨在消除像散并最大限度地減少可能使焦平面中光譜圖像變形的光學(xué)像差。這種設(shè)計(jì)提高了光譜儀整個(gè)焦平面上光譜數(shù)據(jù)的質(zhì)量，從而改善了使用相機(jī)的大傳感器甚至整個(gè)傳感器區(qū)域的傅里葉成像光譜等測(cè)量。

審核編輯 黃宇