背景

德國海德堡大學 Jana Zaumseil 教授的團隊研究新型半導體材料，重點研究電荷傳輸及其在光電器件中的應用。該小組的研究重點之一是構建和研究基于單壁碳納米管(SWCNT)的設備，單壁碳納米管是一種一維結構，可以概念化為卷起的石墨烯片。與石墨烯相反，納米管可以是金屬的或半導體的，具體取決于它們的卷起矢量。通過聚合物分類，可以選擇不同的幾何形狀。納米管的一維性質導致電子和空穴之間產生異常強的束縛態，從而產生室溫穩定的激子，其在近紅外波段的發射具有窄發射特性。

利用化學功能化，這使得納米管成為新型光電器件的有前途的材料，例如超快晶體管、片上光電探測器或潛在的激光器。該小組實施了新的設備設計并證明了他們的操作概念。該實驗室的博士生兼科學家 Jan Lüttgens 表示：“我工作的一個有趣的方面是我們可以自己制造真實的設備來證明其工作原理并在實驗室中測試這些概念。”

在他的實驗中實現的一個這樣的概念是通過將納米管嵌入光子結構中來實現的，例如法布里-珀羅腔或等離子體晶體，以增強它們與電磁場的耦合。在適當的條件下，該裝置可以進入強光-物質耦合狀態，從而產生稱為激子-極化子的新混合態。強耦合機制需要優化的設備設計，并且可以通過電接觸納米管來調節，以抑制材料中的激發或以電方式泵送新的混合態，甚至產生帶電光物質粒子。納米管和空腔之間的強耦合也可用于制造可以吸收遠遠超出本征納米管帶隙的光的光電二極管。

挑戰

納米管態和電磁場之間存在強耦合的指標是反射率和發射中激子能量處的特征模式分裂。為了有效觀察模式結構，實驗室使用了一種稱為傅立葉成像光譜學的技術。通過在光束路徑中插入額外的透鏡，可以通過一次性測量同時解析腔模結構的動量和能量。與基于掃描的技術相比，它通過使用二維探測器減少采集時間來提高測量效率。此外，模式結構的斷層掃描可以通過簡單地相對于探測器移動傅里葉圖像來實現。對于 NIR(或 SWIR)發射器，這需要對 1-1.7μm 波長范圍敏感的相機。

然而，近紅外發射器通常存在光致發光量子產率低的問題，并且低維材料在相對較低的激發功率下還表現出飽和效應。因此，在線性狀態下工作需要低熱噪聲探測器，以實現較長的積分時間。“在近紅外波段，材料的發射效率急劇下降，因此熱噪聲低是有好處的。”

解決方案

Zaumseil 小組的傅里葉成像裝置使用NIRvana 640 相機和等平面攝譜儀來增強檢測納米管器件和單管樣品的低光發射的能力。NIRvana 相機的二維 InGaAs 探測器在近紅外區域具有高量子效率，可以實現此類實驗。相機的傳感器通過熱電冷卻至 -85?C，以減少傳感器上的暗電流，并且集成的冷屏蔽系統限制了熱背景輻射對測量的影響。這使得NIRvana 640非常適合測量可能需要幾秒或更長積分時間的微弱信號，并結合 2D 探測器陣列的成像功能。

等平面光譜儀旨在消除像散并最大限度地減少可能使焦平面中光譜圖像變形的光學像差。這種設計提高了光譜儀整個焦平面上光譜數據的質量，從而改善了使用相機的大傳感器甚至整個傳感器區域的傅里葉成像光譜等測量。

審核編輯 黃宇