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杜克大学与其工业伙伴合作开发出基于超材料的新型红外探测器原型,可以替代气体泄露,农业以及回收应用中的红外传感器

2017-04-10 288浏览 标签: 超材料

2017年4月10日,美国杜克大学团队通过与光电材料公司SRICO合作,开发出了超材料基高性能探测器,可以将红外线传感器的性能提高几个数量级。此项技术可以用于扫描天然气和甲烷泄露区域,监测大面积农作物的健康状况,或快速将塑料分类以用于回收。该团队建造的探测器原型可以在尺寸、重量、功率、速度以及成本等方面胜出现有竞争者。

此次开发的新技术是基于超材料设计的,超材料是一种通过精心设计由重复单元制成的工程化结构,可以通过非同寻常的方式与电磁波相互作用。通过将看似简单的金属图案与极薄的完美晶体结合在一起,工程师们创建了一台高性能设备,能够检测由各种气体、塑料或其它来源发出的不可见红外信号。

在一个典型的热电探测器中,红外光波是通过黑色的物质被吸收然后转化成热能的。这些热能被传导至一个单独的部件,然后生成电信号随后再被读出。这种设置有速度限制且只有通过覆盖滤镜才可以选择输出特定的波长。

新型检测器的每一个微小的部分都是由顶部有一层经过图案化的金元素的铌酸锂晶体组成。这种晶体是热释电性的,这意味着当它变热时会产生电荷。SRICO公司的工程师们用一束离子束剥离出了一片只有600纳米厚的晶体薄片。这种技术去除了晶体结构中存在可能造成背景噪音的晶体缺陷的可能性,并且比使用其他方法制备出的晶体薄片都要薄,从而可以使晶体更快地加热。通常情况下,这种晶体太薄,不能够吸收光线。然而,研究人员将其表面的金层图案化,以使其通过与晶体的特性结合使像素只吸收特定范围的电磁频率,如此一来探测器将不再需要单独的过滤片。当晶体被加热然后生成电荷时,其顶部的金层将发挥它的第二个作用:将信号传送到探测器的放大器中,从而使探测器将不再需要单独的电引线。

杜克大学电气和计算机工程教授Willie Padilla实验室的博士后研究员Jon Suen说:“这些设计可以使这项技术比现有的探测器快10到100倍,这是因为在新型探测器中,热量是由晶体产生的。这使我们可以创建像素更低,但仍然可以捕捉运动图像的设备。”

研究人员可以通过重新设计晶体上金层的图案来制备可以探测任意范围电磁频率的设备。Padilla教授说:“你甚至可以将它制造成一个用于医学样品光谱仪的低成本实验室仪器,我不知道它的最终价格会是多少,但它肯定会大大低于我们实验室目前使用的价值30万美元的仪器。”


图 SRICO公司使用超材料技术制造的红外探测器原型。



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