“我们通过一种新的硅器件结构实现了这一目标，以提高其在近红外范围内的发光效率，”麻省理工学院（麻省理工学院；马萨诸塞州剑桥市）电气工程教授兼首席研究员 Rajeev Ram 说。用于制造个性化药物的 SMART 关键分析 (CAMP) 和麻省理工学院的颠覆性和可持续农业精准技术 (DiSTAP)。

具体来说，该团队使用了一种称为硅纳米结构的技术，“我们在硅材料的表面上创造了纳米级特征，以改善其发光特性，”他说。

他们开发的硅 LED 与传统 LED 相比具有多项优势。首先，它由硅制成，这是一种广泛使用的半导体材料，因此可以使用现有的制造工艺制造，这使得它具有高度可扩展性和生产成本效益。它还利用硅制造的精度来构建小于光波长的设备。

“这使得光发射在空间上是一致的——不同位置的光波具有同步的波峰和波谷，”麻省理工学院的研究科学家郑力说。“而且它对于使用波干涉的应用非常有用，例如全息术。”

全息显微镜

鉴于硅 LED 的尺寸极小，研究人员用它制造了一个紧凑的全息显微镜，可以与现有的智能手机相机一起使用。

研究人员称，他们的全息显微镜是世界上最小的，具有两个组件：该团队的纳米级硅 LED 和手机中使用的硅基图像传感器。

“我们能够使用显微镜创建细胞的全息图像，展示我们的硅 LED 用于生物医学成像和诊​​断的潜力，”Ram 说。

“来自 LED 的相干红外光穿过要成像的物体，”Ram 解释道。“这个物体改变了光束上不同点的光波同步，从而产生了图像传感器记录的干涉模式。记录的干涉图案或数字全息图的计算处理重建了微观物体的图像。”

他指出，这是光电子领域的一项重要突破，对传感和成像领域的一系列应用具有重要意义。硅纳米结构可以提高光发射效率，也可能为开发新的和改进的光学系统铺平道路。

紧凑的设计是关键

硅 LED 和全息显微镜都提供了优于现有技术的几个优势。他们的紧凑设计就是其中之一。由于 LED 比传统 LED 小得多，因此它增加了发射光的相干性。“这使我们能够制造这些 LED 的大而密集的阵列，这将实现更高分辨率的成像系统，”李说。

Global Foundries Singapore 已经在能够大批量生产的设施中在 300 毫米晶圆上制造 LED 以及数百万个晶体管组件（见图 1）。

重要的是，全息显微镜与现有设备兼容，很容易集成到手机摄像头中。这使得在通常无法获得更大、更昂贵的设备的偏远或资源有限地区捕获生物样本的高分辨率图像成为可能。

LED 和显微镜为生成细胞、组织和其他生物样本的 3D 图像提供了新的可能性，这可以提供对其结构和功能的重要见解（见图 2）。  

“我们的全息显微镜还可以用于即时检测，因为它可以很容易地集成到手机平台中，这使它成为一种具有成本效益且易于使用的诊断工具，”他说，并引用了其他应用，例如成像农业技术或精准农业中的植物组织，以优化作物健康和产量，以及用于细胞治疗的活体人体细胞成像。环境监测和传感是其他可能性，可以帮助研究人员检测和监测水或空气中的污染物，或监测环境样本中微生物的生长。

下一步是什么？

由于团队的持续研究，硅 LED 和全息显微镜正在取得进步。“虽然我们的新型硅 LED 已经比以前的硅 LED 更小、更亮，但它的效率仍有待提高，”Ram 说。“未来的研究可以集中于优化 LED 的设计和制造工艺，以提高其效率和亮度。”

新的全息成像技术的开发也在进行中。全息显微镜已经可以创建生物样本的高分辨率 3D 图像，但未来的研究可以通过探索全息显微镜的单芯片版本走得更远，其中 LED 和图像传感器位于同一芯片上，全息图由物体反射的光。