熱發(fā)射光譜在環(huán)境監(jiān)測、天體物理、醫(yī)學診斷和藥物研發(fā)等領域得到廣泛關注和利用。基于微機電系統(tǒng)的紅外光源雖然有效縮小了器件體積，但仍存在光譜分布范圍廣、發(fā)射率較低等缺點，通過對微納結構的合理利用，可以控制熱發(fā)射的光譜特性，有效提高窄帶發(fā)射性能。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，電子科技大學長三角研究院和光電科學與工程學院的科研團隊在《激光與光電子學進展》期刊上發(fā)表了以“基于微納結構的MEMS紅外窄帶熱光源及其應用”為主題的文章。該文章第一作者為李若禺，通訊作者為郭小偉。

本文對MEMS熱輻射紅外光源技術原理進行了介紹，并對基于不同微納結構實現(xiàn)紅外窄帶光源的研究進展進行了歸納總結，最后討論了MEMS紅外窄帶熱光源在氣體傳感、熱光伏發(fā)電、生物醫(yī)學等領域的應用。

MEMS熱輻射紅外光源基本原理

MEMS紅外光源的常用結構是如下圖1所示的懸浮電阻結構，最底層是硅基底，上層沉積支撐層和發(fā)熱電阻，表面可以附加一層微納結構。其中，支撐層常常采用SiO?與Si?N?的復合結構，這是由于SiO?薄膜具有壓應力，并且有良好的絕熱性，Si?N?具有張應力，機械強度大，二者的復合結構可以綜合上述各自優(yōu)點，平衡薄膜內的殘余應力，減小高溫下的形變量，使性能長期穩(wěn)定。發(fā)熱電阻采用多晶硅或金屬材料，保證加熱電阻在長時間高溫環(huán)境下不發(fā)生漂移。

MEMS熱輻射紅外光源是通過電阻發(fā)熱進而激發(fā)產生紅外輻射。在外界電壓的作用下，熱電阻由于焦耳效應產生熱輻射，輻射區(qū)能量按照能量守恒定律由圖1所示的三種途徑進行傳播：輻射區(qū)的熱輻射傳導ER、空氣對流傳導EV、經過支撐層傳遞至硅基底的結構熱傳導EC。

圖1 MEMS紅外熱光源常見結構及能量流動示意圖

提高吸收率的一種方法是直接采用物質本身吸收率較高的材料，例如黑硅、銅錳氧化物等等，但是這種方法不易控制發(fā)射波長及發(fā)射帶寬。另一種方法則是利用光學微納結構來增強光與物質的相互作用，提高特定波長的吸收率。通過人為控制結構尺寸，可以實現(xiàn)在共振波長處的完美吸收（即實現(xiàn)最大輻射）。

基于微納結構的窄帶光源

光子晶體

光子晶體是一種具有周期性折射率或介電常數(shù)的材料，如圖2所示為不同維度的光子晶體的示例圖。許多理論和實驗已經證明，這種特殊的幾何形狀和周期性可以產生獨特的光學傳輸現(xiàn)象。光子晶體的周期性結構可以與金屬薄膜表面的等離子體共振效應相互作用，從而使得特定波長的光在表面上得到增強。通過調控光子晶體結構參數(shù)，可以實現(xiàn)對共振頻率的調節(jié)，從而創(chuàng)建諧調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

借助上述思想，2002年，M.U.Pralle等人在硅基正方晶格光子晶體表面鍍制一層金屬膜激發(fā)表面等離子體模式，實現(xiàn)了δλ/λ≤0.2的窄帶紅外光源，在窄帶光譜范圍內吸收率達90%以上。次年，美國的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的晶格尺寸，可靈活調控發(fā)射波段，結構和對應光譜圖如圖3所示。

圖3 (a)基于光子晶體的窄帶發(fā)射器橫截面示意圖；(b)數(shù)值建模示意圖；(c)發(fā)射光譜圖

類似的有，復旦大學團隊提出并制備了一種具有窄帶寬發(fā)射特性的高性能等離子體熱發(fā)射器。如圖4所示，研究人員使用電子束蒸發(fā)法令鉑金屬涂層覆蓋在表面具有周期性光子晶體結構的硅襯底上，通過調控PC晶格常數(shù)可實現(xiàn)頻譜調諧。

圖4 基于光子晶體的熱發(fā)射器

日本Takuya Inoue團隊將半導體量子阱與二維光子晶體腔結合，獲得了窄而強的熱輻射光譜，圖5(a)為該腔體在600K時的輻射光譜與同溫度下黑體輻射光譜對比。對其性能進行分析可得，該結構的輻射強度可達到黑體輻射的80%，輻射中心波長11 μm，F(xiàn)WHM為0.11 μm。

圖5 (a)設計腔體在600K時的局部輻射光譜（實線）及相同溫度下的黑體輻射（虛線）；(b)基于形成2D光子晶體板的多量子阱棒的發(fā)射器示意圖，頂部插圖為量子阱的兩個傳導子帶，底部插圖為諧振模式的面內電場Ex分布；(c)具有GaN/AlGaN多量子阱和三角晶格光子晶體結構的藍寶石襯底上的GaN基熱發(fā)射器示意圖

光柵

光柵也是光學領域常用的一種微納結構，研究人員通常在極性材料或金屬表面設計光柵用來調整表面發(fā)射率，從而獲得單色和定向的發(fā)射峰。如圖6所示為光柵將熱產生的表面波耦合至自由空間的原理圖。極性材料（如SiC、GaP等）可激發(fā)表面聲子偏振子（SPhP），使用金屬材料可在表面激發(fā)表面等離子激元（SPP），入射光和SPhP/SPP之間的動量失配可以通過在材料界面上圖案化的光柵來彌補。

圖6 光柵將熱表面波耦合到自由空間原理圖

2008年日本團隊在Au表面上刻蝕了窄而深的亞波長光柵，由于SPP的橫向磁極化性質，實現(xiàn)了線性偏振的窄帶熱發(fā)射光譜。同年，Gabriel Biener等人在圖7(a)所示的硅基光柵表面鍍制金膜。2011年，Katsuya Masuno等人同樣基于SPP效應研發(fā)了一種多波長可選擇的MEMS紅外窄帶光源。整個器件由如圖7(b)所示的上下兩部分組成。

圖7 (a)光柵的原子力顯微鏡圖像；(b)基于SPP的窄帶光源結構圖

此外，一些光柵結構也實現(xiàn)了向二維方向的拓展，使TE、TM兩個極化方向產生相干的熱發(fā)射成為可能。如圖8所示為SiC交叉狹縫光柵結構示意圖及光譜發(fā)射圖。

圖8 (a)交叉狹縫光柵樣品SEM圖；(b)在垂直于表面的方向上實際發(fā)射率光譜（點）和計算發(fā)射率光譜（虛線）

除了利用表面等離激元共振的方法，2021年，Kaili Sun等人利用準連續(xù)體束縛態(tài)（QBIC）原理，提出了一種新型超窄帶寬的中紅外熱光源。如下圖9所示，該團隊在由導電襯底支撐的平板上，設計了具有相同間距、不同條紋寬度的交錯光柵結構。

圖9 (a)基于交錯光柵波導結構支持的BIC共振的新型熱發(fā)射器的示意圖模型；(b) 結構的單個單元的橫截面圖

2021 年英國Yusuf Abubakar等人提出一種基于等離子體堆疊光柵（PSG）的新方法來實現(xiàn)窄帶熱光源發(fā)射。所提出的PSG結構如圖10(a)所示，二維金屬納米結構陣列在沿Z方向排列的布拉格光柵（BG）頂部。如圖10(b)所示，發(fā)射諧振峰出現(xiàn)在BG的帶隙內，通過調控BG 的帶隙可以顯著縮小發(fā)射光譜的FWHM至0.1 μm以下。

圖10 (a)基于等離子體堆疊光柵的光源結構示意圖；(b) PSG在TM偏振正常入射下的發(fā)射率、反射率和透射率光譜

超表面

超表面是一類在表面上構造平面結構的新型超材料，它提供了一種非傳統(tǒng)的方法來操縱光行為和熱輻射。基于超表面的熱發(fā)射器大多數(shù)采用金屬-絕緣體-金屬（MIM）配置，如下圖11(a)、(c)所示，細金屬的周期性陣列實現(xiàn)超表面結構，對紅外波段的光具有電磁共振響應。以圖11(b)中十字型超表面為例，當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會在超表面中共振并輻射，其余波段的光則不會共振輻射，因此可以實現(xiàn)波長的選擇性發(fā)射。目前，由超表面帶來的獨特的現(xiàn)象已經得到證實，如多波段、極化、定向發(fā)射和完美發(fā)射等，這是傳統(tǒng)材料所不具備的，這在一定程度上減輕了我們對傳播效應的依賴，并帶來了新的應用前景，大大提高了現(xiàn)有器件的性能。

圖11 超表面原理圖：(a)十字型超表面MEMS紅外光源；(b)光在MIM結構超表面?zhèn)鞑ィ?c)方型超表面結構

2012年，Jun Tae Song等人提出一種基于TiN/SiO?/TiN三層夾層結構的窄帶紅外發(fā)射器，通過調控圖12所示表面方形圖案的周期和大小來控制波長。實驗將發(fā)射波長分別為7.68 μm和7.88 μm的窄帶紅外發(fā)射器應用于氣體傳感系統(tǒng)，實現(xiàn)對多種氣體的選擇性響應。

圖12 制造的紅外發(fā)射器的SEM圖像

2014年，Miyazaki等人研發(fā)了一款與偏振和角度無關的雙波段超材料熱輻射光源，如圖13所示。Alexander Lochbaum團隊提出一種基于超材料的片上窄帶光源，整體結構及局部放大見圖14。2023年，Kali Sun等人用實驗結果和數(shù)值模擬證明了導電襯底上全介電超表面支持的QBIC模式可以實現(xiàn)在中紅外工作的超窄帶熱發(fā)射器。結構示意圖如下圖15所示。

圖13 (a)雙波段超表面熱發(fā)射器的結構；(b)垂直方向的發(fā)射光譜

圖14 (a)片上窄帶光源結構示意圖；(b) MPE單個晶胞結構示意圖，圖中箭頭為共振時場強方向（紅色箭頭為電場E，藍色箭頭為磁場H）

圖15 導電襯底上全介電超表面示意

紅外窄帶光源的應用

氣體傳感器光源

由于CO?、CO、CH?等可產生偶極矩變化的氣體分子會與紅外光發(fā)生共振并且吸收該部分紅外光，并且不同種類的氣體只會與特定波長的紅外光發(fā)生共振。不同的氣體濃度會影響紅外光被吸收能量的多少，因此利用上述特性，我們可以通過對應波長處紅外輻射能量的變化來得到對應氣體的濃度值。圖16(a)為總結的2~15 μm常見的氣體吸收光譜，許多氣體的吸收譜有重疊部分。為更準確、靈敏地監(jiān)測某種特定氣體濃度含量，采用紅外窄帶光源可以將能量集中在目標氣體波長附近，提高了檢測的靈敏度和準確性。圖16(b)、(c)為利用寬帶光源和窄帶光源進行氣體檢測的對比，與寬帶光源相比，使用窄帶光源大大增加了能量利用率，簡化了制作工藝降低了成本。

圖16 (a)氣體吸收光譜圖；(b)傳統(tǒng)氣體傳感器與(c)應用窄帶光源的氣體探測器

熱光伏發(fā)電

近紅外和可見光的熱發(fā)射可以通過太陽能電池轉換為電能，該過程被稱為熱光伏（TPV）發(fā)電。TPV發(fā)電作為光伏（PV）和熱能工程領域的新嘗試而備受關注。在TPV發(fā)電時，位于PV電池帶隙的頻率范圍之外的熱發(fā)射通過電池而不被吸收，導致功率轉換效率降低。開發(fā)高性能TPV發(fā)生器的關鍵是實現(xiàn)熱輻射光譜與PV電池的光譜響應之間的光譜匹配，后者通常位于可見光和近紅外區(qū)域之間。為此，研究人員將研究目光轉向紅外窄帶熱發(fā)射器，使其發(fā)射率僅在PV電池的敏感區(qū)域較高，在PV電池的敏感區(qū)域外較低，提高了熱光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率和性能，為熱能轉換成電能提供了一種創(chuàng)新的方法。日本豐田技術研究所通過加熱W光柵，使其發(fā)射1.6~1.9 μm波段內的熱光譜，圖17為裝置示意圖。

圖17 TPV發(fā)電示意圖

生物醫(yī)學

中紅外成像已成為研究組織學切片、細胞培養(yǎng)物等生物樣品的可靠工具。對比傳統(tǒng)的可見光顯微鏡通常需要對標記物單獨切片并染色才能觀察其形態(tài)，中紅外成像無需染色即可提供組織切片的無數(shù)標記物的信息。利用紅外窄帶熱光源結合紅外光譜分析技術，可以實現(xiàn)對生物體內部組織和器官的非侵入性檢測和成像。例如在早期癌癥診斷和術中協(xié)助中，利用中紅外內窺鏡光譜成像，可以通過繪制癌癥邊緣圖對胃腸道內科及婦科領域進行癌癥篩查。這對于研究動物模型的生理功能、疾病診斷和治療等方面都具有重要的應用價值。

紅外窄帶熱光源也可以用于細胞培養(yǎng)中的紅外照明。細胞培養(yǎng)過程中，一些實驗需要對細胞進行光刺激或光誘導，以觀察和研究細胞的行為和反應。而紅外窄帶熱光源可以提供紅外照明光源，使研究人員能夠針對特定波長的紅外光對細胞進行照射或激活，如圖18所示為近紅外光激活巨噬細胞(Oxa(Ⅳ)@ZnPc@M)的過程。此外，紅外光還可以進行光生物調節(jié)效應，在神經調控、傷口愈合和癌癥治療等領域發(fā)揮著越來越重要的作用。

圖18 近紅外光激活巨噬細胞(Oxa(Ⅳ)@ZnPc@M)的過程

總結

綜上所述，利用波長尺度周期性微納結構中的光學共振可以自由控制熱發(fā)射光譜?；谖⒓{結構的MEMS紅外窄帶熱光源研究對提高光譜分辨率、改善生物醫(yī)學成像性能以及促進紅外材料和器件的發(fā)展具有重要意義。通過選擇合適的納米結構類型，可以控制熱發(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。

表1為不同微納結構熱光源的性能對比?；诠庾泳w及光柵的熱光源表現(xiàn)出更強的窄帶發(fā)射特性，F(xiàn)WHM值和基于超表面的熱光源相比要小兩倍以上。通過調整光柵或光子晶體結構參數(shù)可實現(xiàn)選擇性發(fā)射，但是其結構易受溫度影響且對加工精度要求較高，結構的微小偏差會影響發(fā)射峰值的位置和寬度?；诔砻娴臒峁庠闯３＿x用MIM夾層結構，但由于金屬層的強自由載流子吸收，會在廣泛的波長范圍內造成不必要的非零發(fā)射，還會導致共振波長處熱發(fā)射峰的擴大，因此FWHM通常較大。為降低金屬損耗帶來的影響，研究人員逐漸把目光放在低損耗金屬或者電介質上，使基于超表面的窄帶光源發(fā)射性能得到有效改善，降低了FWHM值。

表1 不同微納結構熱光源性能對比

未來MEMS紅外窄帶光源的發(fā)展將圍繞提高光源效率、增強器件結構與性能的穩(wěn)定性、進一步縮小器件尺寸和降低成本等方面，致力于實現(xiàn)更加精準穩(wěn)定的窄帶發(fā)射光譜。此外，MEMS紅外窄帶熱光源完全兼容標準COMS材料和工藝，可為新一代高度集成的片上光源開辟道路，還可以通過與其他傳感器或器件進行集成，從而實現(xiàn)更復雜的成像和檢測應用。

審核編輯：黃飛

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