近日，北卡羅來納州達勒姆——杜克大學研究者已開發(fā)出一種可在單芯片完成的新型廣譜光電探測器。該光電探測器是通過由電磁材料制成的片上光譜濾光片來實現(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，利用納米級物理現(xiàn)象來捕獲特定頻率的光。

Maiken Mikkelsen教授及其團隊采用基于等離子學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。當光射入納米立方體表面時，就會激發(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)對不同頻段做出響應(yīng)。

圖為新型多光譜成像探測器的效果圖

該研究團隊的下一個目標是利用這種現(xiàn)象來制造商用高光譜相機。為此，研究人員認為將需要一組網(wǎng)格排列的微小獨立探測器，其中每個探測器都被調(diào)諧到不同頻率并被制成更大的“超像素”。

為了實現(xiàn)該目標，研究小組展示了四種探測波長在750nm至1900nm的獨立光電探測器。探測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)上的變化會產(chǎn)生電壓，從底層讀取電壓信號并傳輸至計算機進行分析。

ikkelsen解釋道：“我們根本沒有預(yù)計到可以實現(xiàn)該探測器。該光電探測器不僅能夠工作，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?！?

新型光電探測器結(jié)構(gòu)

研究人員使用熱釋電材料制造探測器。以往的光電探測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)生足夠電信號所需的熱釋電材料厚層會導(dǎo)致這些光電探測器工作速度變得緩慢。研究員Jon Stewart說：“我們的等離子探測器可以轉(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，就可大大加快整個進程?！?

以往任何帶有片上濾波器的熱像儀的探測時間最少為337微秒。杜克大學研究團隊基于等離子技術(shù)的探測器僅在700皮秒內(nèi)就發(fā)出了信號，這大約比以往快了50萬倍。研究人員認為，由于目前的探測時間受到測量實驗儀器的限制，因此新型光電探測器未來可能工作地更快。

憑借制造該光電探測器所需的過程相對快速、便宜且可擴展，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。將多個具有不同頻率響應(yīng)的光電探測器集成在單芯片上，可使輕巧、經(jīng)濟型多光譜相機應(yīng)用于癌癥手術(shù)、食品安全檢查以及該研究團隊最初關(guān)注的精準農(nóng)業(yè)等應(yīng)用。Mikkelsen構(gòu)想了一款經(jīng)濟型、可從地面或無人機上拍攝農(nóng)田的手持式探測器。

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：“獲得‘光譜指紋’可以精確識別材料及其成分。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，達到省水、節(jié)約經(jīng)濟成本并減少污染的目的，真正實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)。該研究發(fā)表于Nature Materials。