Geminiaturiseerde computerspectrometers zijn essentieel voor on-chip en implanteerbare toepassingen. Uiterst gevoelige spectrale meting met behulp van een enkele detector maakt het mogelijk om de voetafdruk van dergelijke spectrometers te verkleinen terwijl een spectrale resolutie wordt bereikt die die van benchtop-systemen benadert.
Wetenschappers, waaronder een materiaalonderzoeker van Oregon State University, hebben een beter hulpmiddel ontwikkeld om licht te meten. Deze vooruitgang in optische spectrometrie zou alles kunnen verbeteren, van smartphonecamera's tot omgevingsmonitoring. In werkelijkheid kwamen wetenschappers met een krachtige, ultrakleine spectrometer die op een microchip past en wordt bediend met kunstmatige intelligentie.
Om deze tool te ontwikkelen, gebruikten wetenschappers een relatief nieuwe klasse van superdunne materialen die bekend staan als tweedimensionale halfgeleiders. Het uiteindelijke resultaat is een proof of concept voor een spectrometer die kan worden uitgerust met verschillende technologieën.
Door de volledige elektrische controle over de kleuren van het licht dat het absorbeert, heeft de tool een enorm potentieel voor schaalbaarheid en uitgebreide toepassing.
Ethan Minot, een professor in de natuurkunde aan het OSU College of Science, zei: “We hebben een manier gedemonstreerd om spectrometers te bouwen die veel meer miniatuur zijn dan wat tegenwoordig typisch wordt gebruikt. Spectrometers meet de sterkte van het licht op verschillende golflengten en is super handig in tal van industrieën en alle wetenschapsgebieden voor het identificeren van monsters en het karakteriseren van materialen.”
“Traditionele spectrometers vereisen omvangrijke optische en mechanische componenten, terwijl het nieuwe apparaat op het einde van een menselijk haar. Het nieuwe onderzoek suggereert dat die componenten kunnen worden vervangen door nieuwe halfgeleidermaterialen en AI, waardoor spectrometers drastisch kunnen worden verkleind ten opzichte van de huidige kleinste, die ongeveer zo groot zijn als een druif."
Hoon Hahn Yoon, die het onderzoek leidde met collega Zhipei Sun Yoon van Aalto University, zei: "Onze spectrometer vereist geen montage van afzonderlijke optische en mechanische componenten of array-ontwerpen om licht te verspreiden en te filteren. Bovendien kan het een hoge resolutie bereiken die vergelijkbaar is met benchtop-systemen, maar in een veel kleiner pakket.”
Minot zei, "Het is opwindend dat onze spectrometer mogelijkheden biedt voor allerlei nieuwe alledaagse gadgets en instrumenten om ook nieuwe wetenschap te doen."
“In de geneeskunde worden spectrometers bijvoorbeeld al getest op hun vermogen om subtiele veranderingen in menselijk weefsel te detecteren, zoals het verschil tussen tumoren en gezond weefsel. Voor omgevingsmonitoring kunnen spectrometers detecteren wat voor soort vervuiling hangt in de lucht, water of grond, en hoeveel er is.”
“Het zou leuk zijn als goedkope, draagbare spectrometers dit werk voor ons zouden doen. En in de onderwijsomgeving zou het hands-on aanleren van wetenschappelijke concepten effectiever zijn met goedkope, compacte spectrometers.”
“Naarmate het werk met tweedimensionale halfgeleiders vordert, zullen we snel nieuwe manieren ontdekken om hun nieuwe optische en elektronische eigenschappen te gebruiken. Onderzoek naar 2D-halfgeleiders is pas een tiental jaar in volle gang, te beginnen met de studie van grafeen, koolstof gerangschikt in een honingraatrooster met een dikte van één atoom.”
“Het is echt spannend. We zullen interessante doorbraken blijven doen door tweedimensionale halfgeleiders te bestuderen.
Journal Reference:
- Hoon Hahn Yoon et al. Geminiaturiseerde spectrometers met een afstembare Van der Waals junctie. Wetenschap DOI: 10.1126/wetenschap.add8544
