近日，北卡羅來(lái)納州達(dá)勒姆——杜克大學(xué)研究者已開發(fā)出一種可在單芯片完成的新型廣譜光電探測(cè)器。該光電探測(cè)器是通過(guò)由電磁材料制成的片上光譜濾光片來(lái)實(shí)現(xiàn)廣泛的光頻率范圍。其熱像儀是基于等離子技術(shù)制造而成，利用納米級(jí)物理現(xiàn)象來(lái)捕獲特定頻率的光。

Maiken Mikkelsen教授及其團(tuán)隊(duì)采用基于等離子學(xué)方法制造出帶有片上濾光片的熱像儀，他們創(chuàng)建了100納米寬的銀色立方體，并將它們置于位于金薄層上方幾納米處的透明膜上。當(dāng)光射入納米立方體表面時(shí)，就會(huì)激發(fā)銀中的電子，以特定的頻率捕獲光能量。該頻率是由銀納米立方體的大小及與金基層的距離所決定。研究人員通過(guò)精確調(diào)整尺寸和間距，能夠控制所吸收的光量，并迫使系統(tǒng)對(duì)不同頻段做出響應(yīng)。

圖為新型多光譜成像探測(cè)器的效果圖

該研究團(tuán)隊(duì)的下一個(gè)目標(biāo)是利用這種現(xiàn)象來(lái)制造商用高光譜相機(jī)。為此，研究人員認(rèn)為將需要一組網(wǎng)格排列的微小獨(dú)立探測(cè)器，其中每個(gè)探測(cè)器都被調(diào)諧到不同頻率并被制成更大的“超像素”。

為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，研究小組展示了四種探測(cè)波長(zhǎng)在750nm至1900nm的獨(dú)立光電探測(cè)器。探測(cè)器的等離子超表面可從特定頻率的入射光中吸收能量并被加熱。熱量可引發(fā)位于超表面正下方的熱釋電材料薄層（氮化鋁）的晶體的結(jié)構(gòu)變化。這種結(jié)構(gòu)上的變化會(huì)產(chǎn)生電壓，從底層讀取電壓信號(hào)并傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。

ikkelsen解釋道：“我們根本沒(méi)有預(yù)計(jì)到可以實(shí)現(xiàn)該探測(cè)器。該光電探測(cè)器不僅能夠工作，還讓我們還發(fā)現(xiàn)了出乎意料的新物理現(xiàn)象，這將使我們以比以往快數(shù)倍的速度完成探測(cè)。”

新型光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)

研究人員使用熱釋電材料制造探測(cè)器。以往的光電探測(cè)器雖然也用熱釋電材料制成，但它們不能專注于特定頻率。此外，產(chǎn)生足夠電信號(hào)所需的熱釋電材料厚層會(huì)導(dǎo)致這些光電探測(cè)器工作速度變得緩慢。研究員Jon Stewart說(shuō)：“我們的等離子探測(cè)器可以轉(zhuǎn)換為任意頻率，并捕獲大量能量，從而產(chǎn)生大量的熱量。這種效率意味著我們僅需一層薄薄的材料，就可大大加快整個(gè)進(jìn)程。”

以往任何帶有片上濾波器的熱像儀的探測(cè)時(shí)間最少為337微秒。杜克大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)基于等離子技術(shù)的探測(cè)器僅在700皮秒內(nèi)就發(fā)出了信號(hào)，這大約比以往快了50萬(wàn)倍。研究人員認(rèn)為，由于目前的探測(cè)時(shí)間受到測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀器的限制，因此新型光電探測(cè)器未來(lái)可能工作地更快。

憑借制造該光電探測(cè)器所需的過(guò)程相對(duì)快速、便宜且可擴(kuò)展，Mikkelsen發(fā)現(xiàn)了幾種基于該技術(shù)的商用熱像儀潛在應(yīng)用。將多個(gè)具有不同頻率響應(yīng)的光電探測(cè)器集成在單芯片上，可使輕巧、經(jīng)濟(jì)型多光譜相機(jī)應(yīng)用于癌癥手術(shù)、食品安全檢查以及該研究團(tuán)隊(duì)最初關(guān)注的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等應(yīng)用。Mikkelsen構(gòu)想了一款經(jīng)濟(jì)型、可從地面或無(wú)人機(jī)上拍攝農(nóng)田的手持式探測(cè)器。

該圖呈現(xiàn)了將不同像素調(diào)整為特定的光頻，以反映作物田的各類需求

Mikkelsen說(shuō)：“獲得‘光譜指紋’可以精確識(shí)別材料及其成分。這不僅可以顯示植物類型，還可以反映其狀況：是否需要水，壓力是否合適，含氮量如何（含氮量低表明需要施肥）。”高光譜成像技術(shù)可以讓肥料、農(nóng)藥、除草劑和水用在需要的地方，達(dá)到省水、節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本并減少污染的目的，真正實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。該研究發(fā)表于Nature Materials。