探索 | 用于光源分析和防偽的新型有機(jī)薄膜傳感器

    近日，德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)物理和化學(xué)團(tuán)隊開發(fā)了一種有機(jī)薄膜傳感器，它描述了一種識別光波波長的新方法，并且儀器分辨率小于1納米。作為一種集成元件，薄膜傳感器可以降低對外部大型光譜儀的科研需求，這項新技術(shù)已申請專利，相關(guān)結(jié)果以論文形式發(fā)表在期刊《Advanced Materials》上。

圖1 新型有機(jī)傳感器，其厚度相當(dāng)于人類頭發(fā)。在薄玻璃上加工，其透射光波長與入射波長有關(guān)

    光譜學(xué)技術(shù)包含一系列實驗手段，這些手段根據(jù)特定光學(xué)性質(zhì)（如波長或質(zhì)量）分解輻射，它被認(rèn)為是研究和工業(yè)領(lǐng)域最重要的分析方法之一。光譜儀可以測定光源的顏色（即波長），并應(yīng)用于各種傳感器，如醫(yī)學(xué)、工程、食品工業(yè)等等。而商用傳感器通常相對較大，并且非常昂貴。它們主要是基于棱鏡或光柵原理：光線是折射的，而折射波長與材料性質(zhì)、折射角有關(guān)。

    德累斯頓理工大學(xué)應(yīng)用物理研究所（以下簡稱IAP）和德累斯頓應(yīng)用物理和光子材料綜合中心（以下簡稱IAPP）已經(jīng)對這種基于有機(jī)半導(dǎo)體的傳感器原件研究多年，并伴隨著Senorics和PRUVE等衍生品，這兩種技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到市場成熟期�，F(xiàn)在，IAP和IAPP的研究人員與物理化學(xué)研究所合作，開發(fā)出一種薄膜傳感器，不僅代表著一種全新方法識別光波波長，而且其具有小尺寸和低成本的特點，比商業(yè)化光譜儀更方便。

圖2 激子-自旋混合波長傳感的概念：未知波長激發(fā)長壽命和短壽命的激發(fā)子，并創(chuàng)建了一個明顯的余輝瞬態(tài)

    這種新型傳感器的工作原理如下：未知波長的光激發(fā)薄如發(fā)絲的發(fā)光材料。該薄膜由長發(fā)光（磷光）和短發(fā)光（熒光）物質(zhì)組合而成，以上兩種物質(zhì)以不同方式吸收入射光，而余輝強度可以推斷入射光波長。

    IAP在讀博士研究生Anton Kirch解釋道：“我們利用了發(fā)光材料激發(fā)態(tài)的基本物理學(xué)原理，不同波長的光在這樣一個系統(tǒng)中被激發(fā)，合適地線性疊加后，有一定概率為長壽命的三重態(tài)或短壽命的單重態(tài)。我們反轉(zhuǎn)了相關(guān)性，通過光電探測器識別自旋量子數(shù)，從而推斷光波長。”

    項目合作者之一，Sebastian Reineke教授說：“這項研究的最大優(yōu)勢就是我們的合作伙伴。從材料合成和薄膜處理，到有機(jī)傳感器的制造，我們與物理化學(xué)教授Alexander Eychmuller和光電子學(xué)教授Karl Leo一起，完成所有制造和分析步驟�！�

    Johannes Benduhn博士是IAP有機(jī)傳感器和太陽能電池組組長：“我真的非常感動，一個簡單的光活性薄膜與光探測器結(jié)合就可以形成一個超高分辨率設(shè)備。”

    基于這一策略，該團(tuán)隊已實現(xiàn)亞納米量級的光譜分辨率，并成功跟蹤了光源波長的微小變化。除了表征光源，這種新型傳感器還可用于防偽。Anton Kirch說：“例如，這種微小且廉價的傳感器可用于快速準(zhǔn)確地檢查鈔票或文件的安全特征，而不結(jié)束任何昂貴的實驗室技術(shù)，從而確定其真實性。”