探索 | 用于光源分析和防伪的新型有机薄膜传感器

    近日，德国德累斯顿工业大学物理和化学团队开发了一种有机薄膜传感器，它描述了一种识别光波波长的新方法，并且仪器分辨率小于1纳米。作为一种集成元件，薄膜传感器可以降低对外部大型光谱仪的科研需求，这项新技术已申请专利，相关结果以论文形式发表在期刊《Advanced Materials》上。

图1 新型有机传感器，其厚度相当于人类头发。在薄玻璃上加工，其透射光波长与入射波长有关

    光谱学技术包含一系列实验手段，这些手段根据特定光学性质（如波长或质量）分解辐射，它被认为是研究和工业领域最重要的分析方法之一。光谱仪可以测定光源的颜色（即波长），并应用于各种传感器，如医学、工程、食品工业等等。而商用传感器通常相对较大，并且非常昂贵。它们主要是基于棱镜或光栅原理：光线是折射的，而折射波长与材料性质、折射角有关。

    德累斯顿理工大学应用物理研究所（以下简称IAP）和德累斯顿应用物理和光子材料综合中心（以下简称IAPP）已经对这种基于有机半导体的传感器原件研究多年，并伴随着Senorics和PRUVE等衍生品，这两种技术已经发展到市场成熟期。现在，IAP和IAPP的研究人员与物理化学研究所合作，开发出一种薄膜传感器，不仅代表着一种全新方法识别光波波长，而且其具有小尺寸和低成本的特点，比商业化光谱仪更方便。

图2 激子-自旋混合波长传感的概念：未知波长激发长寿命和短寿命的激发子，并创建了一个明显的余辉瞬态

    这种新型传感器的工作原理如下：未知波长的光激发薄如发丝的发光材料。该薄膜由长发光（磷光）和短发光（荧光）物质组合而成，以上两种物质以不同方式吸收入射光，而余辉强度可以推断入射光波长。

    IAP在读博士研究生Anton Kirch解释道：“我们利用了发光材料激发态的基本物理学原理，不同波长的光在这样一个系统中被激发，合适地线性叠加后，有一定概率为长寿命的三重态或短寿命的单重态。我们反转了相关性，通过光电探测器识别自旋量子数，从而推断光波长。”

    项目合作者之一，Sebastian Reineke教授说：“这项研究的最大优势就是我们的合作伙伴。从材料合成和薄膜处理，到有机传感器的制造，我们与物理化学教授Alexander Eychmuller和光电子学教授Karl Leo一起，完成所有制造和分析步骤。”

    Johannes Benduhn博士是IAP有机传感器和太阳能电池组组长：“我真的非常感动，一个简单的光活性薄膜与光探测器结合就可以形成一个超高分辨率设备。”

    基于这一策略，该团队已实现亚纳米量级的光谱分辨率，并成功跟踪了光源波长的微小变化。除了表征光源，这种新型传感器还可用于防伪。Anton Kirch说：“例如，这种微小且廉价的传感器可用于快速准确地检查钞票或文件的安全特征，而不结束任何昂贵的实验室技术，从而确定其真实性。”