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杨宗银 发明世界上最小光谱仪 解决光谱检测核心技术瓶颈 器件

发布时间:2022-06-10 13:00:02 来源:华体会网页 作者:华体会官方网址

  原标题:杨宗银 发明世界上最小光谱仪 解决光谱检测核心技术瓶颈 器件成本降至千元内

  1 月 22 日,由 DeepTech 携手络绎科学举办的“MEET35:创新者说”论坛暨“35 岁以下科技创新 35 人”2021 年中国线上发布仪式成功举行。来自科学界和产业界的人士在云端共同见证了新一届中国青年科技领军人物登场。

  DeepTech 同“创新 35 人” 2021 中国入选者浙江大学百人计划研究员杨宗银,在光谱检测系列创新研究、技术迭代以及产业化应用等方面进行了深入交流。

  作为“发明家”入选的杨宗银,开创了基于带隙渐变半导体材料的全光谱发光与探测的一系列理论、方法和工艺的研究,实现了多个“世界之最”。因其从微型光谱仪、波长可调谐光源以及新型发光材料合成等方面突破了光谱检测设备微型化的核心技术瓶颈,并进行产业化研究成功入选“创新 35 人”。

  获奖理由:他通过一系列全光谱发光与探测的开创性研究,发明了世界上最小的光谱仪和超宽波长可调谐纳米激光器。

  光谱检测在化学分析、食品检测、生物检测等领域发挥着重要的作用。传统的光谱检测设备由于体积庞大、价格昂贵,导致其难以大规模推广。

  然而,减小其内部光学和电学元件的尺寸,将导致其性能显著下降从而无法应用。因此,光谱检测设备的微型化是目前科技界面临的重大技术挑战。

  为此,杨宗银进行了系列研究,包括发明世界上最小的光谱仪和超宽波长可调谐纳米激光器、提出两种全新的带隙渐变半导体发光材料的合成方法等。

  在全光谱探测方面,杨宗银首次提出集分光和探测于一体的光谱仪微型化技术方案,开创性地将计算光谱技术与半导体纳米材料结合开发出世界上最小的光谱仪。

  该光谱仪器件尺寸仅几十微米,仅为传统光谱仪的 1/1000[1]。解决了在微米尺度上实现大光谱范围色散的科学难题,突破了传统光谱仪小尺寸与高性能无法兼具的挑战。

  据杨宗银回忆,该研究从 2011 年产生想法至今仍在研发。他表示,最初想通过半导体材料光谱吸收特性直接读出波长信息,后来证明该方法并不可行。2017 年,他开始尝试用计算光谱的原理提取光谱信息。

  2019 年,相关论文正式发表在 Science 上,证明这种方案能把光谱仪的体积做到“极致的小”。此外,光谱学领域以及机器视觉领域的重要教材,还把该技术写入到最新版本。

  Science 审稿人对该研究评价:“该研究是集合了目前世界上最先进的材料合成工艺、配上最高超的器件制作水准和实验技巧、再加上巧妙的算法得到的杰作。”

  英国皇家化学会专栏作家德里克·洛威(Derek Lowe)教授,在 Science 子刊上撰文,对这项工作给予了高度评价:“这项工作展示了一种全新的技术路线,将极大地减小光谱仪的尺寸和成本”。

  此外,杨宗银还在 Science 上撰写了微型光谱仪的综述论文。该论文规范了微光谱领域的术语,并深入浅出地总结出该领域的发展脉络,为将来从事该领域的研究人员指明了方向[2]。

  杨宗银表示,“Science 综述文章数量非常少,一般只接收在领域里非常有影响力的研究人员的投稿。我们的文章发表后,引起了学术界和工业界的广泛关注。”

  此外,杨宗银在半导体材料合成领域也收获了重要成果。他首次提出了以移动源和移动衬底法生长带隙渐变半导体发光材料,是领域的“奠基之作”[3]。

  图丨 (a-e)通过截断带隙渐变纳米线获得不同波长激光的原理示意图;(f)引入移动散色点实现激光波长连续可调的示意图

  在全光谱光源方面,他开创性地将渐变半导体材料作为激光器的可变增益材料,发明了超宽波长可调谐纳米激光器[4]。杨宗银表示,“可调谐纳米激光器的纳米波长可调范围为几百纳米,甚至上千纳米。”

  其优势就在于可调范围非常宽,该激光器能覆盖所有波长。并且,该激光器原理巧妙,不同位置使用不同的材料,相当于可通过堆砌材料无限延伸激光波长。

  据了解,“可调谐”的背后是创新材料的支持,传统的均匀材料发光范围窄,该研究中采用了渐变材料,并且每种材料覆盖范围不同,因此可延伸范围广。

  该激光器可在微型光谱检测设备中作为光谱照明光源,并且,其在光通信、军事和环境监测等领域也具备潜在的应用价值。

  杨宗银在前期理论与实验验证的基础上进行了多次技术迭代,2019 年开始进行产业化探索。2020 年初,他开发了和 CMOS 兼容的微型光谱仪方案,经过一年的迭代,在 2020 年底实现了可在手机上演示的样机,尺寸小于2*2*2 cm,并在 400-1000nm 范围内分辨率能稳定到 2 nm。

  “该样机的性能比市面上同类的光谱仪好很多,并且,多次测量的稳定性、一致性非常好。但是,离我们自己的要求还有些距离。该性能对于大部分的光谱应用还不够,所以,我们至今还在不断迭代。”杨宗银说。

  此外,他还对接产业界的上下游企业,完成了光谱仪手机模块的制作和测试。他认为,如果该技术未来大规模应用,光谱分辨率达到 1nm 较为理想,此外,在灵敏度、稳定性方面还有优化的空间。

  图丨微型光谱仪的技术迭代与产业化(a) 从 Science 论文中报道的第一代纳米线光谱仪到薄膜光谱仪,实现了光谱分辨率和灵敏度的重大飞跃,并且完成了与手机电路兼容的相机封装;(b) 在手机中测试,实现了线扫描光谱成像微型光谱仪技术壁垒较高,目前市场上尚未有成熟的产品。按照传统的技术路线,小尺寸和高性能无法兼具,因此需通过计算光谱来解决。微型光谱仪技术壁垒较高,目前市场上尚未有成熟的产品。按照传统的技术路线,小尺寸和高性能无法兼具,因此需通过计算光谱来解决。

  微型光谱仪技术壁垒较高,目前市场上尚未有成熟的产品。按照传统的技术路线,小尺寸和高性能无法兼具,因此需通过计算光谱来解决。

  微型光谱仪技术壁垒较高,目前市场上尚未有成熟的产品。按照传统的技术路线,小尺寸和高性能无法兼具,因此需通过计算光谱来解决。

  微型光谱仪技术壁垒较高,目前市场上尚未有成熟的产品。按照传统的技术路线,小尺寸和高性能无法兼具,因此需通过计算光谱来解决。

  杨宗银表示,“但对于计算光谱,高的光谱分辨率和测量可靠性之间很难同时满足,需要非常巧妙的光谱编码设计,这也是我们迭代的重点所在。”

  另外,计算光谱的重构速度也是技术壁垒,这需要在算法上做大量创新来解决。据介绍,目前的算法可达到 0.1 秒的速度,可满足单点测量的光谱仪来要求,但对于成像光谱还不够。

  此外,在手机传感器目前处于“瓶颈”的发展状态,微型光谱仪从长远看是“黄金赛道”,但是短期内还有很多的技术和应用问题尚未解决。“技术一直在进步,我相信近几年,随着进入该行业的人才越来越多,光谱分辨率和稳定性的问题会被很好地解决。”杨宗银说。

  此外,找到契合并且是“刚需”的应用也是难点。对此,杨宗银表示,很多看起来很“酷炫”的应用其实在生活中并不是刚需,真正的刚需是与健康息息相关的应用。

  “等市面上有了微型光谱器件后,各种应用会在尝试中慢慢被发掘出来。另外,器件的性能指标和应用是挂钩的,微型光谱仪性能进一步提高后,会开辟更多新的应用。”他说。

  杨宗银的科研之路从浙江大学机械系、浙江大学光电系到剑桥大学电子工程系。在剑桥大学博士后研究完成后,他选择到母校浙江大学任教。这一路充满无数挑战,包括上百次的失败。但他有坚定的信念,成果一定可以做出来。

  第一个挑战是“孤注一掷”。在杨宗银读博期间,前三年虽然做了大量工作,但并没有论文产出。“作为一个不善言辞的人,没有经常和导师及学校解释自己在做什么,直到毕业时,导师才发现原来我之前做了大量细致的工作。”

  第二个挑战是对纳米材料的精确掺杂控制,为此,杨宗银投入很长时间做相关实验。“虽然中途很多尝试看起来是无效的,但是现在回想起来那些经历是一笔财富,现在有很多好的科研 idea 就是从那些失败过程中偶然发现的。其中,还包括未来重点研究的方向,解决了能有巨大的科学和应用价值。”杨宗银说。

  对于光谱仪未来的发展,杨宗银表示,希望可以用来改善环境及人们的生活。“希望尽早看到光谱仪大规模应用,将光谱仪嵌入手机或变成很小的部件,可以放在家里或随身携带。用来测血糖、测尿液等人体的生命健康指标。”

  杨宗银认为,光谱仪器件的成本未来有望控制在 1000 元以内,手机配件的成本则在百元以内。

  谈及本次入围“创新 35 人”,杨宗银表示,其实有些担心这份荣誉会超过所做的贡献。“我认为,得到与付出要‘守恒’。得到这份荣誉的同时,也激励着我去做更多的科研贡献,希望尽早将技术产业化落地。”

  自 1999 年起,《麻省理工科技评论》每年从世界范围内的新兴科技、创新应用中遴选出 35 岁以下对未来科技发展产生深远影响的创新领军人物,涵盖但不限于生物技术、能源材料、人工智能、信息技术、智能制造等新兴技术领域。“35 岁以下科技创新 35 人”(MIT Technology Review Innovators Under 35,简称 TR35)堪称科技领域最权威的青年人才评价体系之一,在产业界和学术界获得了广泛认同。2017 年,TR35 中国评选正式推出,目前已历经五届。

  2022 年“35 岁以下科技创新 35 人”中国评选流程即将启动,更多新一届评选细节请持续关注络绎科学和 DeepTech。若您身边有合适的优秀青年科学家,欢迎点击“阅读原文”进行提名。