基于微纳结构的MEMS热辐射红外光源技术原理

热发射光谱在环境监测、天体物理、医学诊断和药物研发等领域得到广泛关注和利用。基于微机电系统的红外光源虽然有效缩小了器件体积，但仍存在光谱分布范围广、发射率较低等缺点，通过对微纳结构的合理利用，可以控制热发射的光谱特性，有效提高窄带发射性能。

据麦姆斯咨询报道，近期，电子科技大学长三角研究院和光电科学与工程学院的科研团队在《激光与光电子学进展》期刊上发表了以“基于微纳结构的MEMS红外窄带热光源及其应用”为主题的文章。该文章第一作者为李若禺，通讯作者为郭小伟。

本文对MEMS热辐射红外光源技术原理进行了介绍，并对基于不同微纳结构实现红外窄带光源的研究进展进行了归纳总结，最后讨论了MEMS红外窄带热光源在气体传感、热光伏发电、生物医学等领域的应用。

MEMS热辐射红外光源基本原理

MEMS红外光源的常用结构是如下图1所示的悬浮电阻结构，最底层是硅基底，上层沉积支撑层和发热电阻，表面可以附加一层微纳结构。其中，支撑层常常采用SiO₂与Si₃N₄的复合结构，这是由于SiO₂薄膜具有压应力，并且有良好的绝热性，Si₃N₄具有张应力，机械强度大，二者的复合结构可以综合上述各自优点，平衡薄膜内的残余应力，减小高温下的形变量，使性能长期稳定。发热电阻采用多晶硅或金属材料，保证加热电阻在长时间高温环境下不发生漂移。

MEMS热辐射红外光源是通过电阻发热进而激发产生红外辐射。在外界电压的作用下，热电阻由于焦耳效应产生热辐射，辐射区能量按照能量守恒定律由图1所示的三种途径进行传播：辐射区的热辐射传导ER、空气对流传导EV、经过支撑层传递至硅基底的结构热传导EC。

图1 MEMS红外热光源常见结构及能量流动示意图

提高吸收率的一种方法是直接采用物质本身吸收率较高的材料，例如黑硅、铜锰氧化物等等，但是这种方法不易控制发射波长及发射带宽。另一种方法则是利用光学微纳结构来增强光与物质的相互作用，提高特定波长的吸收率。通过人为控制结构尺寸，可以实现在共振波长处的完美吸收（即实现最大辐射）。

基于微纳结构的窄带光源

光子晶体

光子晶体是一种具有周期性折射率或介电常数的材料，如图2所示为不同维度的光子晶体的示例图。许多理论和实验已经证明，这种特殊的几何形状和周期性可以产生独特的光学传输现象。光子晶体的周期性结构可以与金属薄膜表面的等离子体共振效应相互作用，从而使得特定波长的光在表面上得到增强。通过调控光子晶体结构参数，可以实现对共振频率的调节，从而创建谐调到特定波段的红外窄带光源。

图2 一维、二维和三维光子晶体的简易示例图

借助上述思想，2002年，M.U.Pralle等人在硅基正方晶格光子晶体表面镀制一层金属膜激发表面等离子体模式，实现了δλ/λ≤0.2的窄带红外光源，在窄带光谱范围内吸收率达90%以上。次年，美国的I.El-Kady等人利用硅基六角晶格光子晶体，证明通过改变二维光子晶体的晶格尺寸，可灵活调控发射波段，结构和对应光谱图如图3所示。

图3 (a)基于光子晶体的窄带发射器横截面示意图；(b)数值建模示意图；(c)发射光谱图

类似的有，复旦大学团队提出并制备了一种具有窄带宽发射特性的高性能等离子体热发射器。如图4所示，研究人员使用电子束蒸发法令铂金属涂层覆盖在表面具有周期性光子晶体结构的硅衬底上，通过调控PC晶格常数可实现频谱调谐。

图4 基于光子晶体的热发射器

日本Takuya Inoue团队将半导体量子阱与二维光子晶体腔结合，获得了窄而强的热辐射光谱，图5(a)为该腔体在600K时的辐射光谱与同温度下黑体辐射光谱对比。对其性能进行分析可得，该结构的辐射强度可达到黑体辐射的80%，辐射中心波长11 μm，FWHM为0.11 μm。

图5 (a)设计腔体在600K时的局部辐射光谱（实线）及相同温度下的黑体辐射（虚线）；(b)基于形成2D光子晶体板的多量子阱棒的发射器示意图，顶部插图为量子阱的两个传导子带，底部插图为谐振模式的面内电场Ex分布；(c)具有GaN/AlGaN多量子阱和三角晶格光子晶体结构的蓝宝石衬底上的GaN基热发射器示意图

光栅

光栅也是光学领域常用的一种微纳结构，研究人员通常在极性材料或金属表面设计光栅用来调整表面发射率，从而获得单色和定向的发射峰。如图6所示为光栅将热产生的表面波耦合至自由空间的原理图。极性材料（如SiC、GaP等）可激发表面声子偏振子（SPhP），使用金属材料可在表面激发表面等离子激元（SPP），入射光和SPhP/SPP之间的动量失配可以通过在材料界面上图案化的光栅来弥补。

图6 光栅将热表面波耦合到自由空间原理图

2008年日本团队在Au表面上刻蚀了窄而深的亚波长光栅，由于SPP的横向磁极化性质，实现了线性偏振的窄带热发射光谱。同年，Gabriel Biener等人在图7(a)所示的硅基光栅表面镀制金膜。2011年，Katsuya Masuno等人同样基于SPP效应研发了一种多波长可选择的MEMS红外窄带光源。整个器件由如图7(b)所示的上下两部分组成。

图7 (a)光栅的原子力显微镜图像；(b)基于SPP的窄带光源结构图

此外，一些光栅结构也实现了向二维方向的拓展，使TE、TM两个极化方向产生相干的热发射成为可能。如图8所示为SiC交叉狭缝光栅结构示意图及光谱发射图。

图8 (a)交叉狭缝光栅样品SEM图；(b)在垂直于表面的方向上实际发射率光谱（点）和计算发射率光谱（虚线）

除了利用表面等离激元共振的方法，2021年，Kaili Sun等人利用准连续体束缚态（QBIC）原理，提出了一种新型超窄带宽的中红外热光源。如下图9所示，该团队在由导电衬底支撑的平板上，设计了具有相同间距、不同条纹宽度的交错光栅结构。

图9 (a)基于交错光栅波导结构支持的BIC共振的新型热发射器的示意图模型；(b) 结构的单个单元的横截面图

2021 年英国Yusuf Abubakar等人提出一种基于等离子体堆叠光栅（PSG）的新方法来实现窄带热光源发射。所提出的PSG结构如图10(a)所示，二维金属纳米结构阵列在沿Z方向排列的布拉格光栅（BG）顶部。如图10(b)所示，发射谐振峰出现在BG的带隙内，通过调控BG 的带隙可以显著缩小发射光谱的FWHM至0.1 μm以下。

图10 (a)基于等离子体堆叠光栅的光源结构示意图；(b) PSG在TM偏振正常入射下的发射率、反射率和透射率光谱

超表面

超表面是一类在表面上构造平面结构的新型超材料，它提供了一种非传统的方法来操纵光行为和热辐射。基于超表面的热发射器大多数采用金属-绝缘体-金属（MIM）配置，如下图11(a)、(c)所示，细金属的周期性阵列实现超表面结构，对红外波段的光具有电磁共振响应。以图11(b)中十字型超表面为例，当MEMS红外光源通过热辐射将电磁波传递给超表面时，符合电磁共振的电磁波会在超表面中共振并辐射，其余波段的光则不会共振辐射，因此可以实现波长的选择性发射。目前，由超表面带来的独特的现象已经得到证实，如多波段、极化、定向发射和完美发射等，这是传统材料所不具备的，这在一定程度上减轻了我们对传播效应的依赖，并带来了新的应用前景，大大提高了现有器件的性能。

图11 超表面原理图：(a)十字型超表面MEMS红外光源；(b)光在MIM结构超表面传播；(c)方型超表面结构

2012年，Jun Tae Song等人提出一种基于TiN/SiO₂/TiN三层夹层结构的窄带红外发射器，通过调控图12所示表面方形图案的周期和大小来控制波长。实验将发射波长分别为7.68 μm和7.88 μm的窄带红外发射器应用于气体传感系统，实现对多种气体的选择性响应。

图12 制造的红外发射器的SEM图像

2014年，Miyazaki等人研发了一款与偏振和角度无关的双波段超材料热辐射光源，如图13所示。Alexander Lochbaum团队提出一种基于超材料的片上窄带光源，整体结构及局部放大见图14。2023年，Kali Sun等人用实验结果和数值模拟证明了导电衬底上全介电超表面支持的QBIC模式可以实现在中红外工作的超窄带热发射器。结构示意图如下图15所示。

图13 (a)双波段超表面热发射器的结构；(b)垂直方向的发射光谱

图14 (a)片上窄带光源结构示意图；(b) MPE单个晶胞结构示意图，图中箭头为共振时场强方向（红色箭头为电场E，蓝色箭头为磁场H）

图15 导电衬底上全介电超表面示意

红外窄带光源的应用

气体传感器光源

由于CO₂、CO、CH₄等可产生偶极矩变化的气体分子会与红外光发生共振并且吸收该部分红外光，并且不同种类的气体只会与特定波长的红外光发生共振。不同的气体浓度会影响红外光被吸收能量的多少，因此利用上述特性，我们可以通过对应波长处红外辐射能量的变化来得到对应气体的浓度值。图16(a)为总结的2~15 μm常见的气体吸收光谱，许多气体的吸收谱有重叠部分。为更准确、灵敏地监测某种特定气体浓度含量，采用红外窄带光源可以将能量集中在目标气体波长附近，提高了检测的灵敏度和准确性。图16(b)、(c)为利用宽带光源和窄带光源进行气体检测的对比，与宽带光源相比，使用窄带光源大大增加了能量利用率，简化了制作工艺降低了成本。

图16 (a)气体吸收光谱图；(b)传统气体传感器与(c)应用窄带光源的气体探测器

热光伏发电

近红外和可见光的热发射可以通过太阳能电池转换为电能，该过程被称为热光伏（TPV）发电。TPV发电作为光伏（PV）和热能工程领域的新尝试而备受关注。在TPV发电时，位于PV电池带隙的频率范围之外的热发射通过电池而不被吸收，导致功率转换效率降低。开发高性能TPV发生器的关键是实现热辐射光谱与PV电池的光谱响应之间的光谱匹配，后者通常位于可见光和近红外区域之间。为此，研究人员将研究目光转向红外窄带热发射器，使其发射率仅在PV电池的敏感区域较高，在PV电池的敏感区域外较低，提高了热光伏发电系统的效率和性能，为热能转换成电能提供了一种创新的方法。日本丰田技术研究所通过加热W光栅，使其发射1.6~1.9 μm波段内的热光谱，图17为装置示意图。

图17 TPV发电示意图

生物医学

中红外成像已成为研究组织学切片、细胞培养物等生物样品的可靠工具。对比传统的可见光显微镜通常需要对标记物单独切片并染色才能观察其形态，中红外成像无需染色即可提供组织切片的无数标记物的信息。利用红外窄带热光源结合红外光谱分析技术，可以实现对生物体内部组织和器官的非侵入性检测和成像。例如在早期癌症诊断和术中协助中，利用中红外内窥镜光谱成像，可以通过绘制癌症边缘图对胃肠道内科及妇科领域进行癌症筛查。这对于研究动物模型的生理功能、疾病诊断和治疗等方面都具有重要的应用价值。

红外窄带热光源也可以用于细胞培养中的红外照明。细胞培养过程中，一些实验需要对细胞进行光刺激或光诱导，以观察和研究细胞的行为和反应。而红外窄带热光源可以提供红外照明光源，使研究人员能够针对特定波长的红外光对细胞进行照射或激活，如图18所示为近红外光激活巨噬细胞(Oxa(Ⅳ)@ZnPc@M)的过程。此外，红外光还可以进行光生物调节效应，在神经调控、伤口愈合和癌症治疗等领域发挥着越来越重要的作用。

图18 近红外光激活巨噬细胞(Oxa(Ⅳ)@ZnPc@M)的过程

总结

综上所述，利用波长尺度周期性微纳结构中的光学共振可以自由控制热发射光谱。基于微纳结构的MEMS红外窄带热光源研究对提高光谱分辨率、改善生物医学成像性能以及促进红外材料和器件的发展具有重要意义。通过选择合适的纳米结构类型，可以控制热发射光谱从单峰到多波段、线性偏振或偏振不敏感、发射波长从近红外到中红外。

表1为不同微纳结构热光源的性能对比。基于光子晶体及光栅的热光源表现出更强的窄带发射特性，FWHM值和基于超表面的热光源相比要小两倍以上。通过调整光栅或光子晶体结构参数可实现选择性发射，但是其结构易受温度影响且对加工精度要求较高，结构的微小偏差会影响发射峰值的位置和宽度。基于超表面的热光源常常选用MIM夹层结构，但由于金属层的强自由载流子吸收，会在广泛的波长范围内造成不必要的非零发射，还会导致共振波长处热发射峰的扩大，因此FWHM通常较大。为降低金属损耗带来的影响，研究人员逐渐把目光放在低损耗金属或者电介质上，使基于超表面的窄带光源发射性能得到有效改善，降低了FWHM值。

表1 不同微纳结构热光源性能对比

未来MEMS红外窄带光源的发展将围绕提高光源效率、增强器件结构与性能的稳定性、进一步缩小器件尺寸和降低成本等方面，致力于实现更加精准稳定的窄带发射光谱。此外，MEMS红外窄带热光源完全兼容标准COMS材料和工艺，可为新一代高度集成的片上光源开辟道路，还可以通过与其他传感器或器件进行集成，从而实现更复杂的成像和检测应用。

审核编辑：黄飞