用于芯片上的压缩光谱学的高度多色发光阵列
发布时间：2023-04-27 08:00:00 阅读数： 132
多色电致发光器件的复用阵列。(A) 发光MOS电容器阵列的示意图，其中不同的发射材料被微观地分配在每个电容器上。(B) 一个制造的7×7阵列的器件的光学图像，在阵列的每个像素上分配不同的发射器。比例尺，400μm。(C) 与方波脉冲门电压波形（灰色）相对应的时间分辨EL（红色）的例子。(D) EL强度随驱动频率增加的例子。(E)几种材料的电致发光光谱，发射范围从蓝色到近红外，中间所有波长都有发射。(F）在可见光范围内发射的多种材料的EL光谱实例。资料来源：《科学进展》（2023）。DOI: 10.1126/sciadv.adg1607
小型化和多色发光器件阵列为材料科学和应用物理学的感知、成像和计算提供了一种有前途的工具。通过使用传统的发光二极管可以实现一系列的发射颜色，尽管这一过程会受到材料或设备限制。
在《科学进展》上发表的一份新报告中，Vivian Wang和劳伦斯伯克利国家实验室以及加州大学伯克利分校的一个电气工程和材料科学研究小组在一个单一的芯片上开发了各种高度多色的发光阵列，颜色多样。该阵列包含脉冲驱动的金属氧化物半导体电容器，以从微分散的材料中产生电致发光，这些材料跨越了各种颜色和光谱形状。
材料科学家和工程师们结合压缩重建算法，在一个紧凑的环境中进行光谱测量，使用多路电致发光阵列来展示样品的光谱成像，并结合相机。
实验设计
多色发光阵列在该领域具有多功能的应用，尽管使用的颜色范围不足以用于商业用途。在这项研究中，Wang和他的同事通过使用电致发光、交流电驱动的金属氧化物半导体电容器阵列来解决这个问题，他们在沉积发光材料之前用光刻法定义了器件的电极。发光层的沉积形成了这些设备的最后制造步骤，该团队使用微打印方法在单个芯片上轻松分配不同的彩色发射器，以在小型化环境中进行主动光谱测量。
任意EL光谱的设计。(A)描述使用电致发光器阵列产生任意电致发光器光谱的示意图。(B) EL光谱的例子和(C)用于重建(D)中目标光谱的相应光谱的相对权重。灰色虚线代表所需的目标光谱。紫色曲线代表实验测量的光谱，来自实施的五器件电致发光器阵列。金色的曲线代表计算得出的设计光谱。资料来源：《科学进展》（2023）。DOI: 10.1126/sciadv.adg1607
具有任意光谱的电致发光器件阵列
该研究小组通过金属氧化物-半导体电容器装置开发了多路光源阵列，他们将发光材料沉积在硅基底上设计的电容器上。他们在两个电容器之间施加交流电压，以克服金属-半导体接触处的带状排列差异，在每次电压转换期间产生瞬时电致发光。材料科学家们从对可见光到红外线范围敏感的材料中开发了瞬时电致发光，并对频率和电压进行了变化。
在实验过程中，他们描述了电致发光装置的亮度、效率颜色和光谱带宽。由于其简单性，该团队成功地在单一基底上构建了大型多色电致发光阵列。该团队通过开发一个7 x 7的发光器件阵列来实现这一目标，他们通过微分散在每个像素上沉积了不同的发光层，以获得一个纳米级的薄膜。该团队通过演示如何用足够大的发射器库来产生任何光谱来强调该设备的核心特性。例如，来自微型电致发光阵列的总光谱有利于单个元素的光谱的线性组合。因此，研究人员设计了一个发射器阵列以产生所需的光谱。
使用高度多色阵列的光谱测量。(A) 示意图描述了使用可变入射照明和单一光电探测器进行透射率测量的概念。(B）EL设备的光谱（表S3）和（C）光电探测器的读数用于重建（D）中的样品透过率。(E) 描述时间多路复用透射率测量背后的概念的示意图，使用一系列相位偏移的栅极电压波形施加到2×3 EL阵列中的每个器件。(F）根据（E）中的概念重建光谱透射率。资料来源：《科学进展》（2023）。DOI: 10.1126/sciadv.adg1607
重构性光谱测量和成像
该团队展示了该设备平台的可扩展性和多功能性，以及可实现的电致发光光谱的广度与主动光谱测量。例如，他们通过将宽带光穿过样品来测量一个未知样品的透射光谱。在另一个例子中，他们用重构光谱法测量光谱信息，通过算法恢复光谱信息。该仪器的独特和固有的脉冲性质使他们能够进行交替的光谱测量，并在不切换设备的情况下实现快速光谱测量。
在进行重建光谱测量后，Wang等人将该仪器用于光谱成像。在这种情况下，电致发光阵列作为光源，而一个硅电荷耦合相机捕捉样品的图像。他们进一步完成了半透明生物样品的光谱成像，并将微型发光阵列的规模保持在芯片的纳米级/微米级，因为它们在一系列适应性传感应用中是可行的。
高度多色阵列的光谱成像。示意图描述了微尺度（A）反射光和（B）透射光光谱成像的概念，使用可变入射照明和单色相机。(C) 不同入射光谱的例子和相应的反射光显微镜图像。比例尺，40μm。(D) 使用表S4中的发射器，在光学显微镜图片中所示的样品上不同点的重建反射光谱。比例尺，40μm。(E) 使用透射光成像装置拍摄的人体组织样品的光谱数据方块。比例尺，100μm。资料来源：《科学进展》（2023）。DOI: 10.1126/sciadv.adg1607
展望
通过这种方式，Vivian Wang及其同事开发了一种简单和可扩展的仪器，用于容纳具有跨越可见光和红外波长的高度复用发射的发光器件阵列。科学家们使用脉冲驱动的金属氧化物半导体电容来完全整合多色器件。
这个平台是一个通过随机选择的可变光发射源，以探测样品的光谱特性，并探索光谱反射和透射成像。科学家们通过光谱调谐材料，如胶体量子点和过氧化物纳米材料，或通过组合沉积法开发的发光薄膜，提高了光谱成像的准确性和覆盖率。
这项工作可以扩展到除可见光谱外的更多极端波长。发光阵列中的像素可以单独处理，允许材料科学家使用这些仪器，并在频率、空间和时间上产生可定制模式的光，用于多维光谱测量。
参考资料：Vivian Wang et al, Highly multicolored light-emitting arrays for compressive spectroscopy, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adg1607
Chuan Wang et al, User-interactive electronic skin for instantaneous pressure visualization, Nature Materials (2013). DOI: 10.1038/nmat3711
