前沿科技之納米技術(shù)新發(fā)現(xiàn)有望促使衛(wèi)星紅外成像技術(shù)突破

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倫斯勒理工學(xué)院(RPI,Rensselaer Polytechnic Institute)的研究人員開(kāi)發(fā)出一種基于納米技術(shù)的新“顯微透鏡”(microlens)，該透鏡中黃金被利用來(lái)增強(qiáng)紅外成像信號(hào)。這項(xiàng)技術(shù)可能促使新一代超級(jí)衛(wèi)星照相機(jī)和夜視設(shè)備的誕生。
研究人員利用納米金的獨(dú)特屬性，把光“擠”進(jìn)設(shè)備表面的微孔里，使得量子阱紅外探測(cè)器 (QDIP) 的探測(cè)靈敏度增加了一倍。研究者希望通過(guò)改進(jìn)能把探測(cè)靈敏度提高至20倍當(dāng)前水平。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Shawn-Yu Lin是倫斯勒理工學(xué)院的物理學(xué)教授，同時(shí)也是該大學(xué)未來(lái)芯片和智能光學(xué)研究中心的成員。他表示，該項(xiàng)技術(shù)增強(qiáng)紅外探測(cè)器信號(hào)的同時(shí)沒(méi)有增加干擾噪音，這是近十多年以來(lái)少見(jiàn)的研究成果。紅外探測(cè)是備受各界矚目，這是因?yàn)楦咝У男l(wèi)星紅外成像技術(shù)對(duì)國(guó)土安全、監(jiān)測(cè)氣候變化和森林砍伐研究等十分重要，該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展?jié)摿�很大。Lin說(shuō)到，這項(xiàng)新研究開(kāi)創(chuàng)了研究量子阱紅外探測(cè)器的新路標(biāo)，跨越了近十年以來(lái)技術(shù)發(fā)展瓶頸。同時(shí)，Lin在2008年還研制成功了世界上“最黑”的材料，該材料作為太陽(yáng)能電池板涂層可吸收來(lái)自各個(gè)角度99.9%的光線。
& L! Z! |- N0 z4 S$ }8 M: A. l紅外成像探測(cè)器的靈敏度由接受到的信號(hào)與接收到的信號(hào)噪音的比值所得。目前較先進(jìn)的成像探測(cè)器是基于汞-鎘-碲材料 (MCT) 的，可得到較強(qiáng)的信號(hào)，但是面臨著很多挑戰(zhàn)，比如說(shuō)微弱信號(hào)成像時(shí)的長(zhǎng)曝光時(shí)間問(wèn)題。Lin的研究表明，利用納米級(jí)的黃金來(lái)聚集光線進(jìn)入紅外線探測(cè)器，可增強(qiáng)光子的吸收，提高量子阱將光子轉(zhuǎn)化為電子的能力，這是令人振奮的成果。該研究成果已經(jīng)發(fā)表在最新的在線Nano Letters上，該項(xiàng)研究由美國(guó)空軍科學(xué)研究辦公室資助。
新型量子阱紅外探測(cè)器的表面布滿了無(wú)數(shù)小孔，研究者在固體的表面覆著50納米，即50億分之一米大小的黃金，每個(gè)小孔的直徑約為1.6微米，也就是160萬(wàn)分之一米，小孔深度約為1微米。這些小孔里布滿了納米級(jí)量子阱晶體，具有獨(dú)特的光學(xué)和半導(dǎo)體特性。引人注目的是，黃金表面的特性有助于聚集入射光直接進(jìn)入小孔，并集中在量子阱上。這種聚集作用加強(qiáng)了量子阱與孔內(nèi)“約束”光的作用，從而增強(qiáng)了量子阱將光子轉(zhuǎn)化為電子的能力。最終的結(jié)果是，Lin的設(shè)備產(chǎn)生的電場(chǎng)能量約是入射光能量的400倍。
2 b/ C) t( R  h3 b5 r! f0 V  P. |在現(xiàn)有量子阱紅外探測(cè)器透鏡上加工小孔也能得到很好的效果，而且沒(méi)有增加額外的重量，減去了安裝和校準(zhǔn)以百萬(wàn)計(jì)微小透鏡的成本，這些對(duì)空間衛(wèi)星來(lái)說(shuō)十分重要。Lin的研究小組還在文章中證明量子阱紅外探測(cè)器的黃金納米層不會(huì)增加任何干擾噪音或?qū)υO(shè)備響應(yīng)時(shí)間造成負(fù)面影響。他們計(jì)劃通過(guò)增大表面小孔直徑或調(diào)整量子阱的排列方式改進(jìn)這項(xiàng)新技術(shù)。
Lin表示，幾年內(nèi)他們將能夠創(chuàng)建一個(gè)20倍于當(dāng)前信號(hào)水平的量子阱紅外探測(cè)器，這是一個(gè)合理的可實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，而且將可為空間衛(wèi)星成像、士兵夜視鏡、醫(yī)療成像設(shè)備提供技術(shù)支持。
1 \+ m: @! t3 L) Q. j: Y& ^& B; O該項(xiàng)研究合作的論文作者有倫斯勒高級(jí)研究科學(xué)家James Bur，研究生Chun-Chieh Chang和副研究員Yong-Sung Kim等人。