Физики разработали микроспектрометр на основе мембран из фотонных кристаллов и фотодиода из квантовых точек, с помощью которого можно получать инфракрасные спектры веществ с разрешением менее одного пикометра. Размер рабочей области такого спектрометра составляет 225 квадратных микрон, а общая площадь всего устройства не превышает четверти квадратного миллиметра, пишут ученые в статье в Nature Communications.

Инфракрасная спектроскопия активно используется для определения химического состава тех или иных веществ, например, для анализа состава газовых смесей или оценки состава медицинских препаратов. Чтобы такие приборы стали более доступными, ученые пытаются сделать их как можно более компактными, что позволит, например, встраивать спектрометры в мобильные устройства. Основная проблема их миниатюризации состоит в сложности разработки надежных и компактных механизмов детектирования сигнала без потери разрешения.

Группа физиков под руководством Жарко Зобеницы (Žarko Zobenica) из Технического университета Эйндховена предложила решить проблему недостаточного разрешения инфракрасных микроспектрометров с помощью использования в детекторе прибора фотонных кристаллов. Предложенная учеными конфигурация устройства включает в себя две мембраны из фотонных кристаллов на основе арсенида галлия, находящихся на очень небольшом расстоянии друг от друга. Эти фотонные кристаллы выполняют в устройстве функцию оптических микрорезонаторов, которые приводят к формированию в них стоячих волн. Возбужденный резонансный сигнал, возникающий между двумя мембранами, поглощается фотодиодом на основе квантовых точек и приводит к возникновению в устройстве электрического тока. 

Микрофотография спектрометра. Žarko Zobenica et al./ Nature Communicatioins, 2017

Дополнительно в устройство была встроена электромеханическая система, позволяющая изменять расстояние между мембранами и таким образом изменять частоту резонансного сигнала и настраивать прибор по длине волны. За счет использования технологий микроэлекторомеханических систем(MEMS) расстояние между мембранами можно менять с высокой точностью, поэтому разрешение такого устройства по длине волны составило меньше одного пикометра (то есть сотые доли ангстрема). При этом площадь рабочей области устройства была всего 15×15 квадратных микрон, а весь спектрометр целиком занимает квадратную область со стороной в несколько сот микрон, так что на площади в один квадратный миллиметр можно уместить больше 4 таких устройств. 

Созданный исследователями спектрометр покрывает диапазон длин волн около 30 нанометров — примерно от 1290 до 1320 нанометров. Тем не менее даже этого небольшого рабочего диапазона оказалось достаточно для практических целей. В частности, авторы работы показали, что устройство может быть использовано в качестве газового сенсора или для анализа свойств волоконной брэгговской решетки.

Схема карманного спектрометра для мобильного устройства. Žarko Zobenica et al./ Nature Communicatioins, 2017

По утверждению ученых, их микроустройство, которое можно поместить внутрь телефона, обладает не меньшей точностью, чем полноразмерные лабораторные спектрометры. При этом, однако, исследователи отмечают, что диапазон спектра, в котором работает спектрометр, пока слишком мал, и, чтобы уже сейчас использовать такой прибор в реальных устройствах (например, смартфонах), диапазон работы должен быть заметно увеличен.

Некоторые из подобных карманных спектрометров уже пытаются запускать в производство. С помощью них можно, например, отличить некоторые лекарства от поддельных. Тем не менее, пока их точность заметно уступает предложенной конфигурации устройства и полноразмерным инфракрасным спектрометрам.

Автор: Александр Дубов