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量子点能给光栅光谱仪带来什么期望?

时间:2017-09-03来源:OFweek公众平台 点击: 百度搜索

【导读】基于胶体量子点纳米材料制作的微型光谱仪,这种光谱仪将比手机照相机镜头的图像传感器还要微型。这种可能取代传统光栅的量子点器件究竟有多神奇,它的性能如何,是否有可能改变现有传......
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  北极星节能环保网讯:7月2日出版的英国《自然》杂志上的论文《量子点光谱仪》(AColloidalQuantumDotSpectrometer),报道了一种基于胶体量子点纳米材料制作的微型光谱仪,这种光谱仪将比手机照相机镜头的图像传感器还要微型。这种可能取代传统光栅的量子点器件究竟有多神奇,它的性能如何,是否有可能改变现有传统光栅光谱仪的结构?近日分析测试百科网采访了该论文的第一作者清华大学电子工程系博士生导师鲍捷,他为我们详细介绍了胶体量子点光谱仪的原理、性能和应用前景。

  1、从量子点到量子点光谱

  这和鲍捷的个人背景关系很大,鲍捷本科时跟随李亚栋院士进行纳米材料及纳米技术的研究,博士研究课题是用飞秒超快激光研究分子动力学的过程,这些研究都是比较基础的,所以博士后期间鲍捷希望能从事应用方面的研究。“我博士后期间所在的课题组是国际上最早做量子点的组之一,课题组研究人员近年来致力于量子点在不同方向上的应用研究,如太阳能电池、显示器、光检测器及生物标记领域的应用。”鲍捷说。

  鲍捷最初是做量子点在太阳能电池、光检测器领域的应用工作。但他发现,调节量子点大小可以很方便地调节其颜色,这种不同于其他材料的突出特性在这些应用中并没有得到充分利用。另一方面,鲍捷对紫外线诱发皮肤癌方面的研究很感兴趣,“紫外是一个波长的区域,同样强度的短波长和长波长的紫外光对皮肤造成伤害的差别非常大,但是通常人们对紫外的检测并没有将其区分开来。不同大小的量子点,对光有不同的响应,利用这一特点,以不同量子点制作检测器并同时使用就可以辨别紫外光的组分。”鲍捷说。

  鲍捷认为,既然量子点在紫外区域可以有这样的响应,那么在全波长范围内也可以有这样的响应,我们可以做几个波长,也可以做更多的波长,这样的话根据这个原理就可以做成一个光谱仪。

  “利用量子点来做光谱仪把之前的很多想法进行了结合,并且能充分利用量子点的可调节性,这将是一项很有意义的工作。而且,经过调查发现这一方向之前还没有被尝试过。”鲍捷说,所以鲍捷便将量子点纳米技术和光谱方法进行结合,开始了量子点光谱仪的研究。这项工作在麻省理工学院(MIT)启动并进行了实验工作,后期的深入研究分析以及发展等方面的工作在清华大学完成。

  2、工作原理决定其优越的性能

  光谱仪器的发展经历了漫长的时间,最初牛顿发现一束白光透过棱镜可以被分成由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫色组成的光带,这是最早人们认识到光谱的存在。后来,人们发现光栅也可以把光分开,而且它对光的解析能力比棱镜强大许多,发展到今天,几乎所有的光谱仪均是基于光栅的光谱仪。光栅易损、体积大、加工复杂、成本高,而且要达到好的分光效果所需的光程也较长,这些因素都使得基于光栅的光谱仪体积巨大,成本昂贵。另外,光栅的许多重要的性能之间存在相互矛盾的关系,如体积、光谱分辨率、光谱范围等,提高一个方面通常会意味着牺牲另外一方面。

  与光栅不同,量子点本身对光具有吸收性能,不同大小的量子点可以吸收不同波长的光,在光谱仪中用量子点来代替光栅,可以实现多波长测量同时进行;将不同种类的量子点集中在一张薄膜上做成的光谱仪,可以实现对多组份同时进行测量,提高光利用率。由于在很宽的光谱范围内可以得到多种量子点,所以量子点光谱仪的分辨率和光谱范围理论上可以同时提高,不会相互矛盾。

  光栅与量子点工作原理对比图

  鲍捷论文中所展示的量子点光谱仪是将195种量子点集中在一张薄膜上,在300nm的光谱范围内其分辨率可达1nm;由于进入仪器的光不需要通过狭缝,光的通量大,光利用率可以达到50%。如果使用更多不同种类的量子点,量子点光谱仪理论上可以覆盖更广的范围(比如目前量子点可覆盖从200nm到约5μm的光谱范围),可以达到的分辨率也将会远远超过论文所展示的量子点光谱仪的水平。

  量子点是一种无机材料,本身稳定高,量子点光谱仪又利用的是其对光的吸收性能,可以说是量子点最稳定的性质,加以各种保护机制,综合以上三点量子点光谱仪稳定非常好。论文所展示的量子点光谱仪经过初步验证其灵敏度、检测限、信噪比及光谱获取速度等都与现有的微型光谱仪相当。另一方面量子点阵列可以加工到几毫米见方甚至更小;由于不需要线性检测器,配置的二维检测器的阵列也可以达到这个量级,这些都使得量子点光谱仪体积可以做到几立方毫米甚至更小。

鲍捷论文中所展示的量子点光谱仪的量子点薄膜部件

  量子点光谱仪在成本方面与现有微型光谱仪相比也有很大的优势,一台量子点光谱仪内所含量子点的量远不到1mg,而现有实验室量子点材料的合成水平已经达到几克、十几克,工业上甚至可以达到千克甚至吨的水平,所以一台量子点光谱仪所需量子点的成本远低于几元钱。

  3、应用前景广阔

  微型量子点光谱仪不论是物质发出的光还是反射的光都可以进行检测,而且在保留光栅光谱仪绝大部分性能的同时,其体积大幅缩小、成本大幅降低。

  谈到应用前景,鲍捷说:“最简单的一点就是原来需要把样品采集到实验室用大型光栅光谱仪器做的事情,现在不需要把样品采集回来,不需要在专业实验室由专业人员来操作,而可以带着这个小型化的设备第一时间到现场去做。”除此之外,鲍捷还希望这种原来人们认为“高大上”的分析仪器能走进人们的生活,与手机、手表等各种便携智能可穿戴设备结合——将其置于手机内,装在智能手表上用于检测皮肤血氧含量、心跳,也可以检测皮肤癌或是小孩黄疸严重程度等等。这将会使人们对分析仪器的使用更加方便快捷。

  4、商品化进展迅速

  微型量子点光谱仪从技术上、原理上、性能上已经展现出来巨大的优势,接下来要做的就是将它推向产业化,让普通大众都能用起来,这也是鲍捷在努力推动的事情。一个名为QDChip的公司已经被成立以推动对基于该技术的产品的推广。现在鲍捷希望能在国内大力发展微型量子点光谱仪技术,他也在积极寻求志同道合、真正有需求的企业、单位或个人来做这件事情,“这些单位或个人可以是来自环境检测、食品检测、健康检测、智能家居控制、娱乐设备等不同领域的,可以根据自己的需求、兴趣来应用微型量子点光谱仪。”鲍捷说。

  鲍捷介绍:

  鲍捷,2002-2006年于清华大学化学系攻读学士学位,2006-2010年于美国布朗大学攻读博士学位,2010-2013年在美国麻省理工学院从事博士后研究,导师是莫吉˙巴旺迪(MoungiBawendi)。2013年底加入清华大学电子工程系任博士生导师,并建立量子光谱集成器件实验室,继续进行相关的研究。

(责任编辑:Labtoday)
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