SWCNT 近红外发射的实空间和傅里叶成像及光谱

背景

德国海德堡大学 Jana Zaumseil 教授的团队研究新型半导体材料，重点研究电荷传输及其在光电器件中的应用。该小组的研究重点之一是构建和研究基于单壁碳纳米管(SWCNT)的设备，单壁碳纳米管是一种一维结构，可以概念化为卷起的石墨烯片。与石墨烯相反，纳米管可以是金属的或半导体的，具体取决于它们的卷起矢量。通过聚合物分类，可以选择不同的几何形状。纳米管的一维性质导致电子和空穴之间产生异常强的束缚态，从而产生室温稳定的激子，其在近红外波段的发射具有窄发射特性。

利用化学功能化，这使得纳米管成为新型光电器件的有前途的材料，例如超快晶体管、片上光电探测器或潜在的激光器。该小组实施了新的设备设计并证明了他们的操作概念。该实验室的博士生兼科学家 Jan Lüttgens 表示：“我工作的一个有趣的方面是我们可以自己制造真实的设备来证明其工作原理并在实验室中测试这些概念。”

在他的实验中实现的一个这样的概念是通过将纳米管嵌入光子结构中来实现的，例如法布里-珀罗腔或等离子体晶体，以增强它们与电磁场的耦合。在适当的条件下，该装置可以进入强光-物质耦合状态，从而产生称为激子-极化子的新混合态。强耦合机制需要优化的设备设计，并且可以通过电接触纳米管来调节，以抑制材料中的激发或以电方式泵送新的混合态，甚至产生带电光物质粒子。纳米管和空腔之间的强耦合也可用于制造可以吸收远远超出本征纳米管带隙的光的光电二极管。

挑战

纳米管态和电磁场之间存在强耦合的指标是反射率和发射中激子能量处的特征模式分裂。为了有效观察模式结构，实验室使用了一种称为傅立叶成像光谱学的技术。通过在光束路径中插入额外的透镜，可以通过一次性测量同时解析腔模结构的动量和能量。与基于扫描的技术相比，它通过使用二维探测器减少采集时间来提高测量效率。此外，模式结构的断层扫描可以通过简单地相对于探测器移动傅里叶图像来实现。对于 NIR(或 SWIR)发射器，这需要对 1-1.7μm 波长范围敏感的相机。

然而，近红外发射器通常存在光致发光量子产率低的问题，并且低维材料在相对较低的激发功率下还表现出饱和效应。因此，在线性状态下工作需要低热噪声探测器，以实现较长的积分时间。“在近红外波段，材料的发射效率急剧下降，因此热噪声低是有好处的。”

解决方案

Zaumseil 小组的傅里叶成像装置使用NIRvana 640 相机和等平面摄谱仪来增强检测纳米管器件和单管样品的低光发射的能力。NIRvana 相机的二维 InGaAs 探测器在近红外区域具有高量子效率，可以实现此类实验。相机的传感器通过热电冷却至 -85⁰C，以减少传感器上的暗电流，并且集成的冷屏蔽系统限制了热背景辐射对测量的影响。这使得NIRvana 640非常适合测量可能需要几秒或更长积分时间的微弱信号，并结合 2D 探测器阵列的成像功能。

等平面光谱仪旨在消除像散并最大限度地减少可能使焦平面中光谱图像变形的光学像差。这种设计提高了光谱仪整个焦平面上光谱数据的质量，从而改善了使用相机的大传感器甚至整个传感器区域的傅里叶成像光谱等测量。

审核编辑 黄宇