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新型先进的光设计和制造工艺将彻底改变传感技术

范德比尔特和宾州州立大学的工程师们开发了一种新的方法来设计和制造薄膜红外光源,该光源由热驱动,具有近任意光谱输出,以及一种称为逆向设计的机器学习方法,该方法将这些设备的优化时间从多核计算机上的数周或数月减少到消费者级桌面上的几分钟。

开发廉价、高效、专门设计的红外光源的能力可以彻底改变分子传感技术。其他应用包括自由空间通信、用于搜索和救援的红外信标、用于监测工业气体、环境污染物和毒素的分子传感器。

该研究团队的方法,今天在《自然材料》中详细介绍,使用简单的薄膜沉积技术,这是最成熟的纳米制造技术之一,辅之以材料和机器学习方面的关键进展。

标准的热发射器,如白炽灯泡,会产生宽带热辐射,限制了它们在简单应用中的使用。相比之下,激光器和发光二极管提供许多应用所需的窄频率发射,但通常效率太低和/或成本太高。这使得研究转向波长选择性热发射器,以提供激光器或LED的窄带宽,但热发射器的设计很简单。然而,迄今为止,大多数具有用户定义的输出光谱的热发射器都需要采用高成本、低吞吐量的方法制造图案化纳米结构。

由范德比尔特大学机械工程副教授约书亚·考德威尔(Joshua Caldwell)和宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程教授乔恩·保罗·玛丽亚(Jon Paul Maria)领导的研究团队着手克服长期存在的挑战,创造更高效的工艺。他们的方法利用了半导体氧化镉的宽光谱可调谐性,与由交替电介质层(称为分布式布拉格反射器)制成的一维光子晶体相一致。

这些多层材料的组合产生了所谓的“Tamm polariton”,其中器件的发射波长由这些层之间的相互作用决定。到目前为止,此类设计仅限于单个设计波长的输出。但是,为了匹配大多数分子的吸收光谱,在用户控制的波长、线宽和强度下,在多个频率上产生多个共振是必不可少的。

材料设计一直具有挑战性和计算强度。由于高级应用程序需要多个共振的功能,因此新工艺必须大大缩短设计时间。例如,一个典型的设备将包含数十到数百个可设计的参数,从而产生需要不切实际的计算时间的高定制需求。例如,在一个独立优化9个参数、每个参数采样10点的场景中,假设每秒100次模拟,模拟将耗时15天。然而,随着参数的增加,时间呈指数增长——11个参数和12个参数分别需要3年和31年。

为了应对这一挑战,博士。该论文的主要作者、学生何明泽(Mingze He)提出了一种逆向设计算法,可以在几分钟内在消费者级桌面上计算出优化的结构。此外,该代码可以提供在任意光谱带宽上同时匹配多个共振的期望发射波长、线宽和振幅的能力。

另一个障碍是确定一种半导体材料,这种材料可以允许较大的电子密度动态范围。为此,该团队使用了由宾夕法尼亚州立大学Maria的研究团队开发的掺杂半导体材料,该材料允许有意设计光学特性。

“这使得以极低的成本和最少的制造步骤在晶圆规模上制造先进的中红外光源成为可能,”他说。

这一实验部分由宾夕法尼亚州立大学的合作者进行,而他和考德威尔集团的新近毕业的J.Ryan Nolen对这些设备进行了描述。这两个团队一起成功地展示了反向设计红外光源的能力。

“氧化镉材料的可调谐性与非周期分布布拉格反射器的快速优化相结合,提供了设计具有用户定义输出光谱的红外光源的潜力。虽然这些光源在化学传感方面具有直接潜力,但在其他各种应用中也显示出巨大的前景。”考德威尔说:“这是一个用于环境和遥感、光谱学、红外信号和通信的网络。”。

值得注意的是,考德威尔集团已经公开了设计算法的来源,该算法可以在Nature Materials网站以及考德威尔红外纳米光子材料和器件实验室网站上下载。

他们的论文《具有多共振控制的Tamm等离子体激元热发射器的确定性逆向设计》于10月21日发表。