미국 국립과학원 회보의 표지 기사입니다! 중국팀, 웨이퍼 레벨 생산 가능한 AI 적응형 마이크로 분광기 출시

빛의 파장 검출은 과학 연구와 산업 응용 분야에서 중요한 역할을 하며, 광학 분광기는 필수적인 분석 도구입니다. 오늘날, 기존의 부피가 큰 분광기는 더 이상 스펙트럼 감지 기술에 대한 증가하는 수요를 충족시킬 수 없습니다.소형화는 분광기를 개발하는 유일한 방법이 되었습니다.머신 비전, 환경 모니터링, 의료 진단 등 다양한 분야에서 큰 응용 잠재력을 가지고 있습니다.

분광기의 소형화에는 다양한 기술적 방법이 있습니다. 최근 몇 년 동안 인공지능 알고리즘에 기반한 계산 재구성 분광기가 업계에서 많은 주목을 받고 있습니다. 이 분광기는 고속 컴퓨팅을 사용하여 물리적인 분광기 구성 요소의 작업 부하를 일부 대체하여 장비의 크기와 무게를 더욱 줄일 수 있습니다.

그러나 스펙트럼 형태의 다양성과 신호 희소성의 가정으로 인해, 이전에 보고된 재구성 마이크로 분광기는 일반적으로 알고리즘 매개변수의 수동 보정이 필요합니다. 그렇지 않으면 측정된 스펙트럼의 복원 결과가 왜곡될 수 있습니다. 동시에, 이러한 유형의 분광기를 집적 회로 처리를 통해 대량 생산할 수 있는 능력은 아직 검증되지 않았습니다.

이러한 맥락에서, 복단대학교 재료과학과와 국제 지능형 나노로봇 및 나노시스템 연구소의 메이 용펑 교수 연구팀은 미국 국립과학원 회보에 "자체 참조 집적 패브리-페로 공진기를 갖춘 CMOS 호환 재구성 분광기"라는 제목의 연구 결과를 발표했습니다.이 업적은 이번 호의 표지 기사로 선정되었습니다.

연구팀은 통합된 자체 참조 협대역 필터 채널을 통해 기존 분광기와 계산 재구성 분광기의 장점을 결합한 새로운 소형 재구성 분광기 설계를 제안했습니다.이를 통해 인공지능 알고리즘은 더 높은 차원의 매개변수 공간에서 스펙트럼 및 알고리즘 매개변수를 동시에 검색할 수 있습니다.더욱이 분광기는 성숙한 집적 회로 공정을 통해 웨이퍼 수준에서 제조될 수 있으며, 대부분의 소형화된 스펙트럼 테스트 요구 사항을 충족시키기에 충분한 밀리미터 수준의 크기를 갖습니다.

연구 하이라이트:

* 본 연구에서는 약 2.5nm의 분해능, 약 0.27nm의 평균 파장 편차, 최대 5,806의 분해능으로 가시광선 대역 전체(400~800nm)에서 정확한 스펙트럼 재구성 능력을 보이는 소형화된 재구성 분광기의 새로운 설계를 제안합니다. * 본 연구는 보편적이고 견고한 소형 재구성 분광기를 실현하기 위한 새로운 아이디어를 제공하며, 성숙한 CMOS 집적 회로 기술의 도움으로 소형 스펙트럼 검출 시스템을 CIS 이미지 모듈에 통합하는 데 도움이 될 것으로 기대됩니다.

* 본 분광기의 성능은 상용 광섬유 분광기와 유사하나, 비용과 크기가 대폭 감소되었습니다.

서류 주소:
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2403950121

오픈소스 프로젝트인 "awesome-ai4s"는 100개가 넘는 AI4S 논문 해석을 모아 방대한 데이터 세트와 도구를 제공합니다.

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데이터 세트: 다양한 데이터 세트에 다양한 스펙트럼 도출 방법 적용

연구진은 마이크로 분광기에서 얻은 전류 데이터를 협대역 채널 전류와 전체 채널 전류의 두 가지 데이터 세트로 나눈 다음, 각 데이터 세트에 서로 다른 스펙트럼 도출 방법을 적용했습니다.

* 협대역 데이터 세트

여기에는 설계된 Fabry-Perot(FP) 공동 내의 협대역 필터링 채널에서 측정된 전류가 포함됩니다. 이 데이터 세트의 경우, 연구자들은 각 채널의 응답 전류를 응답성으로 나누어 점별 스펙트럼 곡선을 직접 도출했습니다. 이를 그들은 자체 참조 스펙트럼이라고 부릅니다.

* 모든 채널 데이터 세트

협대역 채널을 포함한 모든 채널의 전류를 포함합니다. 이 데이터 세트의 경우, 연구진은 알고리즘으로 재구성한 스펙트럼 결과를 협대역 채널에서 파생된 자체 참조 스펙트럼과 비교하여 알고리즘 매개변수를 반복적으로 최적화하여 스펙트럼 곡선을 최적으로 재구성하고 복원했습니다.

작동 원리: 자기 참조 스펙트럼을 도입하여 정확하고 안정적인 스펙트럼을 재구성합니다.

아래 그림 A는 기존 분광기의 작동 원리를 보여줍니다.이 기술은 좁은 대역 통과 필터를 사용하여 다양한 파장을 구분하고, 각 파장의 강도는 해당 필터를 통과하는 빛의 양을 기준으로 직접 측정됩니다. 이 과정은 "지점 간" 매핑이라고 설명할 수 있습니다. 결과적으로 나오는 스펙트럼은 거칠지만, 각 필터에 해당하는 파장 위치는 비교적 정확합니다.

위의 그림 B는 일반적인 재구성 분광기의 작동 원리를 설명합니다.분광기는 알려지지 않은 스펙트럼(인코더)을 수집된 데이터로 인코딩한 다음, 매개변수 Φ를 갖는 감독 알고리즘을 통해 이 데이터를 스펙트럼으로 재구성합니다. 이 알고리즘은 일반적으로 티코노프나 전체 변동과 같은 정규화 방법을 통해 스펙트럼 매개변수 공간 S에서 최소 비용 함수를 찾습니다. 이러한 재구성을 통해 고해상도 스펙트럼을 생성할 수 있지만, 매개변수 Φ의 선택에 따라 최소 손실 함수가 달라질 수 있으므로 결과가 불안정할 수 있습니다.

아래 그림 C는 본 연구에서 제안한 자가 적응형 분광기의 작동 원리를 보여줍니다.분광기는 알고리즘에 대한 데이터로 스펙트럼을 인코딩하는 것 외에도 기존 방식으로 대략적인 자체 참조 스펙트럼도 제공합니다. 이러한 자기 참조를 통해 스펙트럼 매개변수 공간 S와 알고리즘 매개변수 공간 Φ에서 2단계 최적화를 구현할 수 있으므로 최소 손실 함수에 대한 검색이 더 높은 차원을 포괄할 수 있습니다. 이를 통해 최적의 매개변수를 자동으로 선택하여 전역 최소 비용 함수를 식별하고, 정확하고 안정적인 스펙트럼을 재구성할 수 있습니다.

아래 그림은 적응 스펙트럼의 재구성 과정, 즉 적응 알고리즘을 더욱 자세히 보여줍니다.

구체적으로, 소형 분광기는 기존 스펙트럼 측정을 위한 일련의 협대역 채널을 갖추고 있으므로 스펙트럼 감지를 위한 두 세트의 전류 데이터를 제공합니다.첫 번째 그룹은 좁은 스펙트럼 응답 채널의 전류입니다.이는 특정 대역의 스펙트럼 강도와 해당 대역을 담당하는 채널의 응답의 스칼라 곱으로 볼 수 있으며, 이를 통해 명확하면서도 대략적인 스펙트럼을 쉽게 얻을 수 있습니다.두 번째 그룹은 모든 채널(협대역 채널 포함)의 전류입니다.각 파장의 스펙트럼을 채널 응답(스칼라 곱 응답)으로 곱한 통합 결과입니다.

연구자들은 첫 번째 데이터 집합에서 얻은 스펙트럼 결과를 두 번째 전류 집합에서 계산한 솔루션에 대한 자체 참조로 도입했습니다.이 알고리즘은 다양한 매개변수를 스스로 조정할 수 있으며, 내재적 반복을 통해 실제 스펙트럼에 가까운 안정적인 결과를 얻을 수 있습니다.

연구 결과: 가시광선 대역 전체에 걸쳐 정확한 스펙트럼 재구성 기능

파장 분해능은 분광기에 있어서 중요한 매개변수이며, 특히 파장 측정기나 고정밀 물질 식별과 같은 응용 분야에서 중요합니다. 성능 테스트에서 분광기는 가시광선 대역 전체(400~800nm)에 걸쳐 정확한 스펙트럼 재구성 능력을 보여주었습니다. 다음 그림은 입력 피크 파장과 출력 재구성 피크 파장을 비교한 것입니다.좋은 일관성을 보여줍니다.

연구자들은 아래에 표시된 것처럼 소형 분광기의 편차를 추가로 분석하고 주어진 입력 피크 파장에서의 분해능을 계산했습니다. Rλ = λ/Δλ,약 0.27nm의 평균 파장 편차와 최대 5,806의 분해능이 달성되었습니다.

연구진은 또한 전통적인 분광기의 분해능 테스트를 소형 분광기에 적용했습니다. 두 개의 단색광 피크를 동시에 분광기에 비추고 피크 사이의 간격을 점차 줄여 소형 분광기가 두 스펙트럼 선을 여전히 분해할 수 있는 최소 간격을 연구했습니다. 아래 그림과 같이,2.5nm 간격으로 518nm 부근에 위치한 두 개의 피크를 분리할 수 있습니다.

이러한 결과는 다음을 나타냅니다.이 연구에서 설계된 소형 분광기의 성능은 상업용 광섬유 분광기 및 기타 소형 분광기와 비슷하지만, 비용과 크기는 상당히 감소했습니다.

이를 바탕으로 연구팀은 미세유체역학과 기계적 스캐닝 시스템을 결합한 후 투과, 흡수 및 광발광 분광 측정과 같은 일반적인 실험실 응용 분야에서 적응형 미세 분광기의 성능을 더욱 입증했습니다. 그림 AF에 나타난 바와 같이, 그 결과는 기본적으로 상업용 광섬유 분광기의 결과와 일치했습니다.

(A) 미소 투과-흡수 분광법 시험의 개략도;
(BC) 비타민 B의 투과 스펙트럼(B)과 흡수 스펙트럼(C)의 재구성 결과;
(D) 미세광발광 스펙트럼 시험의 개략도;
(E) 로다민 B의 광발광 스펙트럼 재구성 결과;
(F) 그래핀 양자점의 광발광 스펙트럼 재구성 결과

우수한 성능 외에도 더 중요한 것은,분광기는 성숙한 집적 회로 공정을 사용하여 웨이퍼 수준에서 제조될 수 있으며 밀리미터 크기의 크기를 갖습니다.대부분의 소형화된 스펙트럼 테스트 요구 사항을 충족시키기에 충분합니다.

요약하자면, 이 연구는 보편성과 높은 견고성을 갖춘 소형 재구성 분광기를 구현하기 위한 새로운 아이디어를 제공합니다. 성숙한 CMOS 집적 회로 기술의 도움으로 소형 스펙트럼 감지 시스템을 CIS 이미지 모듈에 통합하는 것을 촉진하여 모바일 휴대형 측정, 차량 장착형 머신 비전 및 분산형 모니터링 시스템 분야의 응용 프로그램을 우선시할 것으로 예상됩니다.

재료 등 기초과학 분야를 지속적으로 심화시켜 나가고 있습니다.

위에 언급된 연구는 국가중점연구개발계획, 국가자연과학기금, 상하이과학기술위원회 및 기타 프로젝트의 자금 지원과 지원을 받았습니다. 일부 실험은 복단대학의 마이크로나노 가공 및 소자 공공 연구실에서 수행되었습니다. 메이 용펑 교수가 이 논문의 책임 저자입니다.

메이 용펑은 복단대학교 재료과학 교수로서 기초 연구를 늘 실천하고 옹호해 왔습니다. 그는 이렇게 말했습니다. "기초 연구는 현상을 이해하고 새로운 지식 영역을 발견하고 개척하는 것을 목표로 합니다. 삶과는 매우 동떨어져 있고 실용적인 용도가 없는 것처럼 보이지만, 사실기초 연구는 사회 발전을 위한 가장 근본적인 원동력입니다.집을 짓는 데 필요한 벽돌과 마찬가지로, 어떤 벽돌이 어떤 용도로 쓰이는지 모르더라도, 그 벽돌을 떼면 집은 무너진다. "

이러한 개념을 바탕으로, 메이융펑 교수가 이끄는 연구팀은 기초 연구와 재료 과학 분야에서 많은 뛰어난 공헌을 하였고, Science Robotics, Science Advances, Nature Communications, Advanced Materials 등에 300편 이상의 학술 논문을 발표하였으며, 10,000회 이상 인용되었고, 20건 이상의 발명 특허를 승인하였습니다.

대표적인 성과 중 하나로, 2023년 1월 메이융펑(Mei Yongfeng)의 연구 그룹은 "향상된 다단계 태양 변조를 위한 바나듐 이산화물 나노막의 자체 압연"이라는 제목의 논문을 "Nature Communications"에 발표했습니다.

연구팀은 베네치안 블라인드에서 영감을 얻었습니다.유리 위의 긴장된 바나듐 이산화물 필름은 탈착되어 자체 롤링 기술을 사용하여 "나뭇잎" 배열의 스마트 윈도우로 압연됩니다.스마트 윈도우는 주변 온도 변화에 따라 완전 컬링(열림), 반 컬링(반 열림), 플랫(닫힘) 상태로 조절 가능하며, 자체 반응형 지능형 전환을 구현하여 완전 열림 상태에서 투과율을 크게 향상시키고, 다양한 개도 각도에 따른 다단계 광 투과율 조절을 구현합니다.

본 연구는 스마트 바나듐 이산화물 박막 소재의 열 유도 변형 능력과 열변색 능력을 창의적으로 결합합니다.이 제품은 빛 투과율, 에너지 절약 효율성, 다양한 환경에 대한 적응성 등을 고려하여 기존 평면 필름의 어려움을 극복했습니다.이는 차세대 효율적인 스마트 창문에 대한 새로운 실현 가능한 아이디어를 제공합니다.

"2차원 나노막을 3차원 미세 구조로 자가 조립하는 것"은 차세대 마이크로 전자 장치를 제조하는 중요한 방법으로 여겨지며, 이는 앞으로의 첨단 전자 및 광전자 응용 분야에 필수적입니다. 그러나 2차원 나노필름의 최종 기하학적 모양 형성은 에칭 궤적, 화학 반응, 종횡비 및 기타 복잡한 요인의 영향을 받아 제조 과정에서 자체 조립 소자의 제품 수율과 완제품 생산 속도를 개선하기 어려워 실험실 수준에서 산업 응용 분야로의 진정한 전환이 심각하게 방해를 받습니다.

이에 대해 올해 6월, 메이융펑 교수 연구팀은 "3차원 각도 민감 광검출을 위한 나노막 롤링의 다단계 설계 및 구축"이라는 제목의 연구 결과를 "네이처 커뮤니케이션즈"에 게재했습니다.

본 연구에서는 다단계 준정적 유한 요소 해석 방법을 제안하고, 이 설계를 바탕으로 6가지 유형의 실리콘(Si)/크롬(Cr) 나노필름 조립 3차원 미세 구조와 이에 대응하는 3차원 광 검출기를 제작하여 이 기술의 뛰어난 다용성과 산업적 실용성을 완벽하게 검증했습니다.

* 자세한 보고서를 보려면 여기를 클릭하세요: 복단대학교의 Mei Yongfeng 연구 그룹은 DNN과 나노필름 기술을 통합하여 입사광 각도를 정확하게 분석합니다.

앞으로 메이융펑 교수 연구 그룹은 마이크로나노역학, 나노광학, 나노전자공학, 마이크로나노로봇공학, 마이크로나노유체공학, 마이크로에너지저장, 표면 플라스몬, 메타물질 등에 대해서도 더욱 심도 있게 연구하여 기초과학의 발전을 지속적으로 촉진할 것입니다.

참고문헌:
1.https://news.fudan.edu.cn/2024/0820/c5a141853/page.htm
2.https://www.memstraining.com/news-41.html
3.https://www.sohu.com/a/634625615_12