基於鈣鈦礦量子點的有源腔光學壓力傳感器

2020-11-25 澎湃新聞

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撰稿 | 戴光 北京理工大學 （論文第一作者）

光學壓力傳感器具有抗電磁幹擾、集成度高、響應快等特點，已廣泛應用於信息通信、健康監測、生物醫學治療和軍事探測等領域。現有光學壓力傳感器主要以無源腔光學傳感器為主，受腔鏡反射率的影響，該類傳感器解析度和光源利用率受限。相比無源腔光學傳感器，具有自發光功能的有源光學傳感器的一些優勢尚待科學工作者們去開拓創新和有效開發。

圖源：Veer

近日，北京理工大學鍾海政教授和鄧羅根教授合作報導了基於鈣鈦礦量子點的光學壓力傳感器。該傳感器採用有源諧振腔策略，通過集成原位製備的CsPbBr3量子點聚合物薄膜與高反射率的布拉格反射鏡，實現了半高全寬（FWHM）僅為0.9 nm的窄發射光譜。在外力作用下，該傳感器表現出超高的靈敏度（∼2.2 nm/kPa），極好的線性度（R2≥0.99）以及出眾的可回復性。該團隊進一步展示了該傳感器在聚合物薄膜的動態力學測量的應用，為低壓和觸覺表面壓力感知提供了新技術路線。

該成果以「Perovskite Quantum Dots Based Optical Fabry–Pérot Pressure Sensor」為題發表在ACS Photonics上。

法布裡珀羅（FP）型光學壓力傳感器具有簡易的結構特徵，在軍用和民用領域得到廣泛應用。典型的FP腔光學壓力傳感器的反射腔由兩個分離的平行反射器組成，反射鏡的間隔受到外部壓力而產生變化。壓力引起的距離變化可以與幹涉譜的移動相關聯。高反射率的腔鏡可以有效提升幹涉譜的解析度，實現高精度和高靈敏度。然而傳統FP腔光學壓力傳感器系統使用外部光源，如發光二極體(LED)、雷射、白熾燈等，高反射率腔鏡將會增加入射光的反射損耗，限制了光源利用率。

針對以上問題，將自發光器件本身作為敏感元件的有源光學傳感系統有望解決上述問題，實現高靈敏、高集成、低損耗的信息探測。鈣鈦礦量子點（PQD）是新一代顏色可調的發光材料，具有相對較窄的帶寬，高光致發光量子產率（PLQYs）和低的雷射閾值，適用於多種光學和光電子技術應用。

該研究團隊採用原位技術製備的鈣鈦礦量子點光學膜（PQDFs）不僅具有優異的光學性能，超高的表面平整度、高導熱性，並且易於進行光子集成。將該鈣鈦礦量子點光學膜集成在高反射率布拉格反射器中以構成有源諧振腔，在外部光源的激勵下，量子點的螢光在腔內多次反饋形成強烈幹涉，產生高Q值（~580）的窄尖峰發射，實現高精度、高靈敏度的壓力感應（圖1）。

圖1 有源FP腔光學壓力傳感器示意圖

圖源：ACS Photonics 2020, 7, 9, 2390–2394

採用該有源腔壓力傳感系統，該研究團隊成功演示了聚合物薄膜在低壓下的宏觀動態力學性能的測量，彌補了傳統納米壓痕法只能夠實現探頭處單點測量的不足（圖2）。

圖2 聚合物宏觀力學性能的檢測

圖源：ACS Photonics 2020, 7, 9, 2390–2394

綜上，該團隊首次將鈣鈦礦量子點光學膜應用到光學壓力傳感應用中，開發了超高靈敏度、高精度的光學壓力傳感器，並將該傳感器應用於聚合物薄膜力學性能的檢測。靈敏度的提升始終是各類傳感器所追求的目標，充分發揮鈣鈦礦量子點易製備、易集成的特點，使用更高柔性的薄膜材料，可以進一步提高其靈敏度。

採用不同形態的有源腔，或者採用對不同物理量響應的發光材料，即可擴展成為多種信息的傳感，例如溫度、電磁場、溼度、折射率等。有源腔的方案對於微機電系統和微傳感器領域的設計和應用具有重要意義。

文章信息

ACS Photonics 2020, 7, 9, 2390–2394

Publication Date:September 1, 2020

論文地址

https://doi.org/10.1021/acsphotonics.0c01109

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