等離子體光電探測器助力實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

近日，北卡羅來納州達(dá)勒姆——杜克大學(xué)已經(jīng)開發(fā)出一種新的、可以在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)的廣譜光電探測器。該光電探測器使用由電磁材料制成的片上光譜濾波器，跨越了一個(gè)光頻率范圍。該相機(jī)的技術(shù)基于等離子體技術(shù)——利用納米級物理現(xiàn)象捕捉特定頻率的光。

邁肯·米克爾森教授和她的團(tuán)隊(duì)利用基于等離子體的方法制造出了帶有芯片過濾器的熱成像相機(jī)，他們制作了100納米寬的銀立方體，并將它們置于一層透明薄膜上，薄膜的位置在一層薄薄的金層上方幾納米處。當(dāng)光照射到納米晶的表面時(shí)，它會激發(fā)銀中的電子，以特定的頻率捕獲光的能量。這個(gè)頻率是由銀納米晶的大小和它與金基層的距離決定的。通過在他們的裝置中精確地裁剪尺寸和間距，研究人員能夠控制被吸收的光的數(shù)量，并迫使系統(tǒng)對他們選擇的任何電磁頻率做出反應(yīng)。

研究人員的下一個(gè)目標(biāo)是利用這種現(xiàn)象來建造一個(gè)商用高光譜相機(jī)。為了做到這一點(diǎn)，他們認(rèn)為需要一個(gè)由微小的、獨(dú)立的探測器構(gòu)成的網(wǎng)格，每個(gè)探測器都調(diào)整到不同的頻率，并制成一個(gè)更大的“超像素”。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究小組展示了四個(gè)獨(dú)立的光電探測器，它們的波長在750到1900納米之間。探測器的等離子體元表面從入射光的特定頻率吸收能量并被加熱。高溫導(dǎo)致位于超表面正下方的一層薄薄的熱釋電材料（氮化鋁）的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。這種結(jié)構(gòu)上的變化產(chǎn)生了一個(gè)電壓，然后由底層讀取，底層是將信號傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析的硅半導(dǎo)體層。

米克爾森說：“我們的光電探測器不僅能工作，我們還看到了新的、意想不到的物理現(xiàn)象，這將使我們能夠以多數(shù)量級的速度來進(jìn)行檢測?！?/p>

新的光電探測器由三層構(gòu)成。銀納米管在一層薄薄的金層上的大小和間距決定了它們吸收的頻率，從而使它們升溫。一種叫做氮化鋁的熱電材料的薄層將熱量轉(zhuǎn)化為電信號，電信號被底部的一層硅半導(dǎo)體接收并傳送。

圖片來源：杜克大學(xué)

研究人員使用熱釋電材料來制作他們的探測器。以前的光電探測器是用熱電材料制成的，但它們無法聚焦于特定的電磁頻率。此外，為了產(chǎn)生足夠的電信號，需要厚厚一層熱釋電材料，這使得這些光電探測器以非常慢的速度運(yùn)行。

研究人員喬恩·斯圖爾特說：“我們的等離子體探測器可以轉(zhuǎn)換成任何頻率，并捕獲大量能量，從而產(chǎn)生大量熱量?！薄斑@種效率意味著我們只需要一層薄薄的材料，這大大加快了整個(gè)過程?！?/p>

之前任何類型的帶片上過濾器的熱成像相機(jī)的檢測時(shí)間記錄，無論是否使用熱釋電材料，都是337微秒。杜克大學(xué)研究小組基于等離子體的方法在僅僅700皮秒內(nèi)就產(chǎn)生了一個(gè)信號，大約快了50萬倍。研究人員認(rèn)為，由于檢測時(shí)間受到用于測量它們的實(shí)驗(yàn)儀器的限制，新的光電探測器在未來可以工作得更快。

Mikkelsen看到了基于該技術(shù)的商業(yè)相機(jī)的幾個(gè)潛在用途，因?yàn)橹圃旃怆娞綔y器所需的過程相對快速、廉價(jià)且可擴(kuò)展。將多個(gè)具有不同頻率響應(yīng)的光電探測器組合在一個(gè)芯片上，可以使重量輕、價(jià)格低廉的多光譜照相機(jī)應(yīng)用于癌癥手術(shù)、食品安全檢查以及該團(tuán)隊(duì)最初關(guān)注的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。Mikkelsen設(shè)想了一種廉價(jià)的手持探測器，可以從地面或廉價(jià)的無人機(jī)上拍攝農(nóng)田圖像。

一種新型的輕便、廉價(jià)的高光譜照相機(jī)將使精確農(nóng)業(yè)成為可能。這張圖顯示了不同的像素是如何被調(diào)整到特定的頻率的光，這表明了作物田的各種需求。

圖片來源：杜克大學(xué)

“獲得一個(gè)‘光譜指紋’可以精確地識別一種物質(zhì)及其組成，”Mikkelsen說?！八粌H能表明植物的類型，而且還能確定它的條件，它是否需要水，是否有壓力，或低氮含量，這表明需要化肥?！案吖庾V成像技術(shù)可以讓化肥、殺蟲劑、除草劑和水只在需要的地方使用，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，節(jié)約用水和資金，減少污染。