近紅外光譜可為物質(zhì)提供特有的吸收光譜，從而使鑒別氣體種類成為可能。因此，需要利用小型化光譜儀實(shí)現(xiàn)緊湊型氣體傳感器，從而監(jiān)測生活空間的空氣質(zhì)量。

然而，傳統(tǒng)近紅外光譜儀均是利用光柵將入射光分散至不同波長，因此需要較長的光程，這便是傳統(tǒng)光譜儀小型化的障礙。

等離子體光電探測器則具有許多特性，如改善光電探測靈敏度、特定光探測的波長或偏振、硅材料的紅外光探測能力等，因而得到了廣泛的研究。而等離子體結(jié)構(gòu)通常非常?。ū≈?00nm），因此無需通過犧牲光電探測器的緊湊性來實(shí)現(xiàn)這些功能。

近日，日本電氣通信大學(xué)（University of Electro-Communications）的Oshita Masaaki和Kan Tetsuo與其合作者共同在MEMS可形變懸臂梁上開發(fā)了一款基于金（Au）衍射光柵的等離子體光電探測器。

圖1 帶有金衍射光柵的MEMS懸臂梁示意圖

該研究主要針對MEMS可重構(gòu)等離子體光電探測器。如圖1（a）所示，在N型硅（n-Si）懸臂梁上制造等離子體金衍射光柵，并集成到MEMS角度掃描器上。當(dāng)橫磁波（TM）偏振近紅外光以入射角θ射入光柵，滿足表面等離子體共振（SPR）耦合條件（即入射角和波長）時(shí)，即可在光柵上產(chǎn)生SPR。

入射光則被光柵表面吸收成為SPR，并激發(fā)了金層中的自由電子。在金與n-Si之間形成肖特基勢壘，當(dāng)這些電子克服肖特基勢壘時(shí)，SPR可以轉(zhuǎn)換為光電流I（θ），從而實(shí)現(xiàn)了基于SPR的光電探測。

此外，由于懸臂梁可偏轉(zhuǎn)，因此可以通過外部驅(qū)動力改變傾斜懸臂梁，引起光入射角θ的變化，從而重構(gòu)SPR匹配條件和光電探測特性。同時(shí)采用兩個(gè)鋸齒形懸臂腳來減小剛度，以增加入射角的變化幅度。

圖2 器件設(shè)計(jì)概述：（a）懸臂梁的尺寸；（b）光柵的尺寸；（c, d）在主諧振機(jī)械頻率和次諧振機(jī)械頻率下的懸臂梁機(jī)械變形的有限元模擬結(jié)果；（e）器件照片；（f）光柵的SEM圖片。

綜上所述，該器件采用n-Si體硅微加工技術(shù)制造。利用金衍射光柵激發(fā)表面等離子體（SP）。當(dāng)光射入器件時(shí)，懸臂梁的機(jī)械振動會動態(tài)地改變光的入射角度，從而改變表面等離子體的耦合條件。耦合SPR后，光能就被轉(zhuǎn)換成器件中的電流。

圖3 懸臂梁的機(jī)械諧振特性

懸臂梁在-21?至21?的角度間掃描，通過分析電流隨時(shí)間的變化，可實(shí)現(xiàn)對近紅外光中光譜的數(shù)值反演。實(shí)現(xiàn)高度小型化的近紅外光譜儀，就有望開發(fā)新型的小型物聯(lián)網(wǎng)（IoT）傳感器。

該研究已于2020年2月4日發(fā)表在ACS Photonics上，題目為“Reconfigurable Surface Plasmon Resonance Photodetector with a MEMS Deformable Cantilever”，論文地址為：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.9b01510。