Son zamanlarda, Profesör Haining Sun’ın Mikroelektronik Okulu’nda Sun Haveling, Çin Bilim ve Teknolojisi (USTC), Wuhan Üniversitesi’nden akademisyen Sheng Liu ekibi ile birlikte, dünyanın ilk minyatürleştirilmiş ultraviyole (UV) spektrometre çipini başarıyla geliştirdi ve hippal görüntülemeyi gerçekleştirdi.
Yeni bir galyum nitrür (GAN) kademeli fotodiyot mimarisine dayanarak ve derin sinir ağı (DNN) algoritmalarıyla entegre olan cihaz, yüksek hassasiyetli spektral tespit ve yüksek çözünürlüklü multispektral görüntüleme elde eder.
Nanosaniye ölçeğinde bir tepki hızı ile, bildirilen en hızlı minyatür spektrometre için yeni bir dünya rekoru kırıyor. “Minyatürize Basamaklı Diode-Lay Spectral Görüntüleyici” başlıklı çalışma, çevrimiçi olarak yayınlandı. Nature Fotonics 26 Eylül 2025’te.
Spektral görüntüleme teknolojisi hem spektral hem de mekansal bilgileri aynı anda yakalar ve karmaşık ortamların ve hedeflerin kesin ölçülmesini ve tanımlanmasını sağlar. Malzeme analizi, çevresel izleme, uydu uzaktan algılama ve derin alan araştırmalarında geniş uygulamalara sahiptir.
Bununla birlikte, geleneksel spektral görüntüler kırınım ızgaralarına ve mekanik taramaya güvenerek onları büyük, karmaşık ve maliyetli hale getirir ve taşınabilirlik ve entegrasyonlarını sınırlar. Özellikle, biyofarmasötikler ve organik molekül tespitinde çok önemli olan derin UV/UV uygulamaları için uzun zamandır uygulanabilir bir minyatür çözelti yoktu.
Bu zorluğun üstesinden gelmek için, IGAN laboratuvarı yeni bir GAN tabanlı basamaklı fotodiyot mimarisi önerdi (Şekil 1A) ve dünyanın ilk UV spektral görüntüleme çipini geliştirdi. Yapı, 2 inçlik gofretler üzerinde diziler olarak üretilebilen ve bağlanma yoluyla entegre edilebilen iki dikey olarak basamaklı asimetrik P-N diyotlardan oluşur (Şekil 1 B, C).
Harici önyargı uygulayarak, taşıyıcı taşıma, voltaj-ayarlanabilir çift yönlü spektral tepkiyi sağlayan dalga boyuna bağlı davranış sergiler. DNN algoritmalarının yardımıyla (Şekil 1D), cihaz bilinmeyen spektrumları yüksek doğrulukla yeniden yapılandırır (Şekil 2A – C). 250-365 nm’de faaliyet gösteren çip ~ 0.62 nm çözünürlük elde eder ve <10 ns yanıt süresi, bildirilen tüm minyatür spektrometreler arasında en hızlıdır.
Bu çipi kullanarak, araştırma ekibi, zeytinyağı, fıstık yağı, hayvan yağı ve süt dahil olmak üzere organik sıvı damlacıklarının uzamsal olarak çözülmüş, tek atış görüntülemesini başarıyla gerçekleştirdi. Her piksel, tam üç boyutlu bir veri kümesi oluşturarak dalga boyuna bağlı foto-akım sinyallerini kaydetti.
Nöral ağlar yoluyla spektral rekonstrüksiyondan sonra, farklı organik maddelerin farklı UV absorpsiyon özelliklerini (Şekil 2D) ve mekansal dağılımları (Şekil 2E) gösteren yüksek çözünürlüklü spektral görüntüler elde edildi. Bu gösteriler çipin moleküler tanıma ve gıda güvenliği testindeki potansiyelini vurgulamaktadır.
Bu çalışma, minyatürleştirilmiş spektrometre çipleri için yeni bir paradigmayı sunar ve doğrular ve ilk kez spektral çip platformu olarak geniş bant boşluğu nitrür yarı iletkenlerini kullanır. Malzeme bileşimini ve doping’i ayarlayarak veya diğer bileşik yarı iletkenleri (CD’ler, ZnO, GaAs ve Inp gibi) tanıtarak ileriye baktığımızda, bu çip mimarisinin operasyonel aralığı UV’den görünür ve hatta kızılötesine genişletilebilir.
İmalat işlemi büyük ölçekli yarı iletken üretimi ile tamamen uyumlu olduğundan, çip boyutları daha düşük maliyetle daha yüksek çözünürlük sağlayarak submikron veya nanometre ölçeklerine daha da azaltılabilir.
Ekip, üretim maliyetlerinin geleneksel spektrometrelerin yüzde birine kadar düşebileceğini öngörüyor. Silikon tabanlı CCD/CMOS teknolojisi gibi dijital kameraların yaygın olarak benimsenmesini sağladı, bu GAN tabanlı minyatürleştirilmiş spektrometre çipi, spektral görüntülemede yeni bir endüstriyel ilerleme dalgası yönlendirmeye hazır.
Bu çalışma ile ilgili ilk yazarlar Dr. Huabin Yu (Postdoc), Dr. Muhammed Hunain Memon (Postdoc), Bay Zhixiang Gao (doktora öğrencisi) ve Bay Mingjia Yao (yüksek lisans öğrencisi). Profesör USTC’nin Sun Haining Sun’a karşılık gelen tek yazardır. Akademisyen Sheng Liu (Wuhan Üniversitesi), Profesör Zongyin Yang (Zhejiang Üniversitesi) ve Profesör Tawfique Hasan (Cambridge Üniversitesi) önemli destek ve rehberlik sağladı.
Bu hikaye, araştırmacıların yayınlanmış araştırma makalelerinden bulguları rapor edebilecekleri Science X iletişim kutusunun bir parçasıdır. Science X iletişim kutusu ve nasıl katılacağınız hakkında bilgi için bu sayfayı ziyaret edin.
