最新Nature：基于硅絕緣體的超高靈敏度和納米級諧振器用于超聲波檢測
【引言】?
?超聲波檢測器使用高頻聲波對物體成像并測量距離，但是這些讀數的分辨率受到探測元件物理尺寸的限制。點狀的寬帶超聲檢測可以大大提高超聲和光聲（光）成像的分辨率，但目前的超聲檢測器，諸如那些用于醫學成像，不能充分地小型化。使用光學方法進行超聲波檢測比壓電檢測具有根本優勢，可以在不犧牲靈敏度的情況下將檢測器小型化。一個常見的例子是利用嵌入在光纖波導中的π移布拉格光柵干涉儀進行光學干涉測量，超聲波會擾動兩個布拉格光柵之間建立的光學腔的長度和折射率，從而改變其共振特性。然而，大的感測長度（100-300微米）和窄帶寬（10-30兆赫）不允許點狀檢測，限制分辨率和小型化潛力。壓電換能器的靈敏度隨著尺寸的減小呈二次方下降，而光學微環諧振器和法布里-珀羅干涉儀不能將光充分地融合到小于50微米的尺寸上。微加工方法已被用于產生電容式和壓電傳感器陣列，但帶寬僅為幾兆赫，而尺寸超過70微米。
近日，德國慕尼黑工業大學醫學教授Vasilis Ntziachristos和Rami Shnaiderman（通訊作者）基于高度可擴展的絕緣體硅（SOI）引入了超聲波檢測的概念，該概念利用了半導體行業廣泛使用的高通量制造技術，從而設計了一個點狀硅波導檢測器（SWED），其感應面積僅為220nm乘以500nm。基于SOI的光學諧振器設計提供的單位面積靈敏度比微環諧振器高1000倍，比壓電檢測器高100000000倍。同時，本文是的設計還實現了超寬的檢測帶寬，在6分貝時達到230兆赫。除了使檢測器適合于以非常密集的陣列制造之外，還表明亞微米級的傳感區域還可以實現超分辨率的檢測和成像性能，展示了比所檢測的超聲波波長小50倍的特征成像。此外，本文的探測器可實現超小型化的超聲讀數，能夠以與光學顯微鏡相當的分辨率進行超聲成像，并有可能在硅芯片上開發非常密集的超聲陣列。相關研究成果以“A submicrometre silicon-on-insulator resonator for ultrasound detection”為題于2020年9月17日在線發表于Nature上。
【圖文導讀】
圖一、SWED的設計和操作原理
圖二、SWED的特性
圖三、反射模式的遠場和近場光聲成像
圖四、聲寬帶干擾的成像
文獻鏈接：“Plasmonic enhancement of stability and brightness in organic light-emitting devices”(Nature，2020，10.1038/s41586-020-2684-z)
本文由材料人CYM編譯供稿。
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