基于等离子技术的广谱光电探测器,为精准农业添砖加瓦

麦姆斯咨询报道,杜克大学研究者已开发出一种可在单芯片完成的新型广谱光电探测器。该光电探测器是通过由电磁材料制成的片上光谱滤光片来实现广泛的光频率范围。其热像仪是基于等离子技术制造而成,利用纳米级物理现象来捕获特定频率的光。

Maiken Mikkelsen教授及其团队采用基于等离子学方法制造出带有片上滤光片的热像仪,他们创建了100纳米宽的银色立方体,并将它们置于位于金薄层上方几纳米处的透明膜上。当光射入纳米立方体表面时,就会激发银中的电子,以特定的频率捕获光能量。该频率是由银纳米立方体的大小及与金基层的距离所决定。研究人员通过精确调整尺寸和间距,能够控制所吸收的光量,并迫使系统对不同频段做出响应。

新型多光谱成像探测器的效果图
新型多光谱成像探测器的效果图

该研究团队的下一个目标是利用这种现象来制造商用高光谱相机。为此,研究人员认为将需要一组网格排列的微小独立探测器,其中每个探测器都被调谐到不同频率并被制成更大的“超像素”。

为了实现该目标,研究小组展示了四种探测波长在750nm至1900nm的独立光电探测器。探测器的等离子超表面可从特定频率的入射光中吸收能量并被加热。热量可引发位于超表面正下方的热释电材料薄层(氮化铝)的晶体的结构变化。这种结构上的变化会产生电压,从底层读取电压信号并传输至计算机进行分析。Mikkelsen解释道:“我们根本没有预计到可以实现该探测器。该光电探测器不仅能够工作,还让我们还发现了出乎意料的新物理现象,这将使我们以比以往快数倍的速度完成探测。”

新型光电探测器结构
新型光电探测器结构

研究人员使用热释电材料制造探测器。以往的光电探测器虽然也用热释电材料制成,但它们不能专注于特定频率。此外,产生足够电信号所需的热释电材料厚层会导致这些光电探测器工作速度变得缓慢。研究员Jon Stewart说:“我们的等离子探测器可以转换为任意频率,并捕获大量能量,从而产生大量的热量。这种效率意味着我们仅需一层薄薄的材料,就可大大加快整个进程。”

以往任何带有片上滤波器的热像仪的探测时间最少为337微秒。杜克大学研究团队基于等离子技术的探测器仅在700皮秒内就发出了信号,这大约比以往快了50万倍。研究人员认为,由于目前的探测时间受到测量实验仪器的限制,因此新型光电探测器未来可能工作地更快。

凭借制造该光电探测器所需的过程相对快速、便宜且可扩展,Mikkelsen发现了几种基于该技术的商用热像仪潜在应用。将多个具有不同频率响应的光电探测器集成在单芯片上,可使轻巧、经济型多光谱相机应用于癌症手术、食品安全检查以及该研究团队最初关注的精准农业等应用。Mikkelsen构想了一款经济型、可从地面或无人机上拍摄农田的手持式探测器。

该图呈现了将不同像素调整为特定的光频,以反映作物田的各类需求
该图呈现了将不同像素调整为特定的光频,以反映作物田的各类需求

Mikkelsen说:“获得‘光谱指纹’可以精确识别材料及其成分。这不仅可以显示植物类型,还可以反映其状况:是否需要水,压力是否合适,含氮量如何(含氮量低表明需要施肥)。”高光谱成像技术可以让肥料、农药、除草剂和水用在需要的地方,达到省水、节约经济成本并减少污染的目的,真正实现精准农业。该研究发表于Nature Materials。

文章地址:www.doi.org/10.1038/s41563-019-0538-6

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