展示基於膠體量子點納米材料製作微型光譜儀的新方法

2020-11-25 清華大學新聞網

電子工程系博士生導師鮑捷在《自然》發表論文
展示基於膠體量子點納米材料製作微型光譜儀的新方法

清華新聞網7月7日電 7月2日，清華大學電子工程系博士生導師鮑捷在《自然》雜誌發表論文《基於膠體量子點納米材料的光譜儀》（A Colloidal Quantum Dot Spectrometer），報導了一種基於膠體量子點納米材料製作微型光譜儀的新方法。該文章被同期《自然》雜誌專題評論。鮑捷是論文的第一作者和通訊作者，麻省理工學院化學系莫吉·巴旺迪(Moungi Bawendi)是論文的第二作者。


不同光譜儀工作原理比較圖。（最上面是目前最廣泛採用的光柵光譜儀的原理；最下面是量子點光譜儀的原理；中間為現有多數其他光譜儀技術原理。）

光譜儀是一種能夠分辨不同顏色（波長）光波強度的分析儀器，已被非常廣泛地應用在諸如天文、生物、化學、醫學、環境學等多領域。這類設備通常體積過大以致於難以移動。科學家長期致力於讓光譜儀小型化、成本低廉且易於使用，以便增加它們的使用範圍。但一直以來，相關努力都不是很成功。

鮑捷及莫吉·巴旺迪提出，現有微型光譜儀的設計局限可以用膠體量子點克服，量子點是高度可調控的、微型的並且對光敏感的半導體晶體，使用量子點可以在減小光譜儀體積的同時不影響它的解析度、使用範圍和效率。

文章中，他們展示了用195種膠體量子點納米材料和一個普通數位相機所用的成像感光元件構成的一個微型光譜儀。其每一個量子點都對特定光譜範圍敏感，可以過濾各種波長的光並檢測到非常小的光譜移位。這是國際上首次將膠體量子點納米材料用於製作微型光譜儀的報導。

膠體量子點被列印到攝像傳感器表面示意圖。

作為一種光譜儀微型化方法的新突破，這種方法為製作高性能、低造價、體積小於智慧型手機攝像頭的微型光譜儀鋪平了道路。其未來應用包括太空探索、個性化醫療、微流控晶片實驗室診斷平臺等。

同期《自然》雜誌發表專題編輯部評論，評論認為，「光譜儀已成為不可或缺的分析儀器。但是光譜儀通常又是昂貴而複雜的儀器，更高性能的光譜儀還會比較龐大，使其很難實地進行現場分析測量。……科學家們描述了一個小巧且功能強大的光譜儀，並且可能以低廉的造價進入消費者電子產品，比如用於無損的紅酒品質鑑定等，推進了光譜儀的進一步發展。」

同期《自然》雜誌還刊登了美國西北太平洋國家實驗室科學家的專題評論文章，文章說「這種優雅的將納米技術與數位相機影像傳感器集成的方法克服了多種現有技術所面臨的困難」，「將來，我們可能會看到微小的、高解析度的量子點光譜儀在太空任務或家居智能傳感器和物聯網中被應用」。

鮑捷於2006年獲得清華大學化學系學士學位，2010年於布朗大學獲得博士學位，2010-2013年在麻省理工學院從事博士後研究，其間於2012年提出量子點光譜儀的新方法，完成了初期實驗及分析。2013年加入清華大學電子工程系任博士生導師，在學校和電子系的大力支持下建立了量子光譜集成器件實驗室，深入分析並發展了該項技術，完成了此項研究工作。

論文在線連結：

http://www.nature.com/nature/journal/v523/n7558/full/nature14576.html

 

供稿：電子工程系 編輯：蕾蕾

 

 

 

 

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