文章來源：麥姆斯咨詢

熱發(fā)射光譜在環(huán)境監(jiān)測、天體物理、醫(yī)學(xué)診斷和藥物研發(fā)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)紅外光源雖有效縮小了器件體積，但光譜分布范圍廣、發(fā)射率較低。合理利用微納結(jié)構(gòu)可控制熱發(fā)射的光譜特性，提高窄帶發(fā)射性能。

近期，電子科技大學(xué)長三角研究院和光電科學(xué)與工程學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)在《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》期刊上發(fā)表題為“基于微納結(jié)構(gòu)的MEMS紅外窄帶熱光源及其應(yīng)用”的文章。第一作者為李若禺，通訊作者為郭小偉。

本文介紹了MEMS熱輻射紅外光源技術(shù)原理，歸納了基于不同微納結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)紅外窄帶光源的研究進(jìn)展，并討論了其在氣體傳感、熱光伏發(fā)電、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

MEMS熱輻射紅外光源基本原理

MEMS紅外光源常用結(jié)構(gòu)為圖1所示的懸浮電阻結(jié)構(gòu)，底層為硅基底，上層沉積支撐層和發(fā)熱電阻，表面可附加微納結(jié)構(gòu)。支撐層常采用SiO?與Si?N?復(fù)合結(jié)構(gòu)，以平衡薄膜內(nèi)應(yīng)力，減少高溫形變量，保持性能穩(wěn)定。發(fā)熱電阻采用多晶硅或金屬材料，確保長時間高溫下不發(fā)生漂移。

光源通過電阻發(fā)熱激發(fā)紅外輻射。在外界電壓作用下，熱電阻產(chǎn)生熱輻射，輻射區(qū)能量按能量守恒定律通過三種途徑傳播：輻射區(qū)熱輻射傳導(dǎo)、空氣對流傳導(dǎo)、支撐層傳遞至硅基底的結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)。

圖1 MEMS紅外熱光源常見結(jié)構(gòu)及能量流動示意圖

提高吸收率的方法之一是采用吸收率高的材料，如黑硅、銅錳氧化物等，但難以控制發(fā)射波長和帶寬。另一種方法是利用光學(xué)微納結(jié)構(gòu)增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用，提高特定波長的吸收率。通過控制結(jié)構(gòu)尺寸，可在共振波長處實(shí)現(xiàn)完美吸收。

基于微納結(jié)構(gòu)的窄帶光源

光子晶體

光子晶體具有周期性折射率或介電常數(shù)，圖2展示了不同維度的光子晶體示例。其特殊幾何形狀和周期性可產(chǎn)生獨(dú)特光學(xué)傳輸現(xiàn)象。光子晶體結(jié)構(gòu)與金屬薄膜表面等離子體共振效應(yīng)相互作用，增強(qiáng)特定波長光在表面的增強(qiáng)。通過調(diào)控結(jié)構(gòu)參數(shù)，可創(chuàng)建諧調(diào)到特定波段的紅外窄帶光源。

圖2 一維、二維和三維光子晶體的簡易示例圖

2002年，M.U.Pralle等人在硅基正方晶格光子晶體表面鍍制金屬膜，實(shí)現(xiàn)δλ/λ≤0.2的窄帶紅外光源，窄帶光譜范圍內(nèi)吸收率超過90%。次年，I.El-Kady等人利用硅基六角晶格光子晶體，證明通過改變二維光子晶體晶格尺寸，可靈活調(diào)控發(fā)射波段。

光柵

光柵在調(diào)整表面發(fā)射率方面常用，研究人員在極性材料或金屬表面設(shè)計(jì)光柵，以獲得單色和定向發(fā)射峰。圖6展示了光柵將熱產(chǎn)生的表面波耦合至自由空間的原理。極性材料如SiC、GaP可激發(fā)表面聲子偏振子(SPhP)，金屬材料可激發(fā)表面等離子激元(SPP)。通過光柵彌補(bǔ)入射光和SPhP/SPP間的動量失配，實(shí)現(xiàn)窄帶熱發(fā)射光譜。

2008年，日本團(tuán)隊(duì)在Au表面刻蝕窄而深的亞波長光柵，實(shí)現(xiàn)線性偏振的窄帶熱發(fā)射光譜。同年，Gabriel Biener等人在硅基光柵表面鍍制金膜。2011年，Katsuya Masuno等人基于SPP效應(yīng)研發(fā)多波長可選MEMS紅外窄帶光源。

超表面

超表面是新型超材料，提供非傳統(tǒng)方法操縱光行為和熱輻射。大多數(shù)超表面熱發(fā)射器采用金屬-絕緣體-金屬(MIM)配置，細(xì)金屬周期性陣列實(shí)現(xiàn)超表面結(jié)構(gòu)，對紅外波段光有電磁共振響應(yīng)。當(dāng)MEMS紅外光源通過熱輻射將電磁波傳遞給超表面時，符合電磁共振的電磁波在超表面共振并輻射，其余波段光不共振輻射，實(shí)現(xiàn)波長選擇性發(fā)射。

2012年，Jun Tae Song等人提出基于TiN/SiO?/TiN三層夾層結(jié)構(gòu)的窄帶紅外發(fā)射器，通過調(diào)控表面方形圖案的周期和大小控制波長。實(shí)驗(yàn)將發(fā)射波長分別為7.68 μm和7.88 μm的窄帶紅外發(fā)射器應(yīng)用于氣體傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對多種氣體的選擇性響應(yīng)。

紅外窄帶光源的應(yīng)用

氣體傳感器光源

CO?、CO、CH?等氣體分子與紅外光發(fā)生共振并吸收能量。不同氣體只與特定波長紅外光共振，不同濃度影響紅外光吸收能量。利用這一特性，通過對應(yīng)波長紅外輻射能量變化，可得到氣體濃度值。圖16(a)總結(jié)了2~15 μm常見氣體吸收光譜。為更準(zhǔn)確、靈敏監(jiān)測氣體濃度，采用紅外窄帶光源集中能量在目標(biāo)氣體波長附近，提高檢測靈敏度和準(zhǔn)確性。

總結(jié)

利用波長尺度周期性微納結(jié)構(gòu)中的光學(xué)共振，可自由控制熱發(fā)射光譜?；谖⒓{結(jié)構(gòu)的MEMS紅外窄帶熱光源研究對提高光譜分辨率、改善生物醫(yī)學(xué)成像性能和推動紅外材料及器件發(fā)展具有重要意義。通過選擇合適納米結(jié)構(gòu)類型，可控制熱發(fā)射光譜從單峰到多波段、線性偏振或偏振不敏感、發(fā)射波長從近紅外到中紅外。