開發(fā)了一種紅外探測敏感度增強(qiáng)貼膜

根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律，常規(guī)材料的熱紅外輻射功率Prad正比于溫度T的四次方?；诖岁P(guān)系，紅外相機(jī)可以通過Prad的測量來表征物體表面的溫度分布。常溫的紅外探測技術(shù)在紅外夜視，安全監(jiān)控，電路檢測，醫(yī)學(xué)診斷，結(jié)構(gòu)缺陷篩查，以及科學(xué)研究方面有廣泛應(yīng)用。等效噪音的溫度差（Noise Equivalent Differential Temperature, NEDT）是決定紅外相機(jī)對(duì)溫度的敏感度和成像質(zhì)量的關(guān)鍵性能參數(shù)。然而，以往的改善NEDT的工作主要局限于對(duì)紅外信號(hào)接收和傳感的改進(jìn)，而忽視了從Prad與T的關(guān)系這一角度尋找突破的可能。受此局限性影響，常溫紅外探測器的NEDT在達(dá)到20-40 mK時(shí)遇到了瓶頸，過去的20年中一直沒有明顯的進(jìn)展。

在此背景下，美國伯克利加州大學(xué)的Junqiao Wu（吳軍橋）課題組另辟蹊徑，借助金屬-絕緣體相變材料，光學(xué)諧振結(jié)構(gòu)和薄膜轉(zhuǎn)移工藝，開發(fā)了一種紅外探測敏感度增強(qiáng)貼膜（Thermal Imaging Sensitizer, TIS）。TIS技術(shù)突破了Prad正比于T4這一限制，將紅外探測的敏感度在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提高了15倍以上，首次實(shí)現(xiàn)了毫開爾文級(jí)別的常溫紅外探測，對(duì)成像質(zhì)量的提升，應(yīng)用的拓展，以及新表征技術(shù)的開發(fā)有重要意義。該研究成果以“Millikelvin-resolved Ambient Thermography”為題近日發(fā)表于國際著名學(xué)術(shù)期刊Science Advances。

圖1. 基于金屬-絕緣體相變的TIS技術(shù)的結(jié)構(gòu)，原理與應(yīng)用示意圖

如圖1所示，TIS由鎢摻雜氧化釩（WxV1-xO2），BaF2，Ag結(jié)構(gòu)組成。當(dāng)WxV1-xO2處于絕緣體態(tài)時(shí)，其對(duì)紅外輻射基本透明，系統(tǒng)類似于一個(gè)簡單的金屬鏡面結(jié)構(gòu)，具有低紅外輻射率ε；而當(dāng)溫度上升時(shí)，轉(zhuǎn)變成金屬態(tài)的WxV1-xO2對(duì)紅外輻射有較高的吸收，結(jié)合1/4波長諧振腔結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的ε會(huì)展現(xiàn)出突然的增加。對(duì)于輻射率隨溫度變化的材料，紅外探測溫度TIR與實(shí)際溫度T的關(guān)系可以表示為：

由于TIS的ε在相變溫度附近對(duì)T 非常敏感，dTIR/dT可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)突破傳統(tǒng)材料的限制（dTIR/dT~ 1），進(jìn)而大幅度改善NEDT。在此項(xiàng)工作中，高達(dá)15以上的dTIR/dT可以實(shí)現(xiàn)毫開爾文級(jí)別的紅外探測，對(duì)多方面的應(yīng)用都有重大意義。

圖2. TIS在物理結(jié)構(gòu)，光學(xué)性質(zhì)以及敏感度增強(qiáng)方面的表征

制成的TIS薄膜具有良好的柔性，可以廣泛貼附于各種表面；而相變溫度可以通過W摻雜的濃度靈活調(diào)節(jié)，以適用于不同的應(yīng)用場景（如圖2所示）。高dTIR/dT對(duì)NEDT的提升效果可以由圖2的類似“瑞利判據(jù)”實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)。對(duì)于用通常紅外成像無法分辨出的兩個(gè)臨近熱源，在TIS的輔助下NEDT由45mK縮小為3mK，進(jìn)而使得紅外成像可以辨識(shí)出精細(xì)的溫度分布，清楚地區(qū)分出兩個(gè)熱源。

電子器件的熱成像分析將極大地受益于溫度敏感度的增強(qiáng)。通過探測表面的微小焦耳發(fā)熱，毫開爾文級(jí)別的紅外成像可以快速，無損傷而且整體地分析電路的工作狀態(tài)。如圖3A所示，工作在不同處理頻率的CPU會(huì)產(chǎn)生有微小不同的發(fā)熱量，而由TIS增強(qiáng)的紅外探測可以將其清晰地區(qū)分開，進(jìn)而判斷CPU的實(shí)時(shí)狀況。進(jìn)一步的，通過校準(zhǔn)電路板線路中的電流大小和發(fā)熱量，由TIS增強(qiáng)的紅外成像可以定量且快速地探測電路中的電流大小和分布（圖3B和3C），極大地方便對(duì)電學(xué)器件和系統(tǒng)的監(jiān)控以及分析。

圖3. TIS的應(yīng)用展示——電路工作狀態(tài)分析

除此之外，TIS技術(shù)將會(huì)給紅外醫(yī)學(xué)成像帶來突破性的發(fā)展。紅外成像技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其是通過對(duì)病變處溫度變化的表征來篩查早期的腫瘤，如皮膚癌和乳腺癌等。在圖4的展示實(shí)驗(yàn)中，課題組用不同的成像方法跟蹤觀察植入小鼠表皮的腫瘤細(xì)胞。在腫瘤細(xì)胞植入后第五天，對(duì)于光學(xué)成像和傳統(tǒng)紅外成像都無法觀察到的早期腫瘤點(diǎn)，由TIS增強(qiáng)的紅外成像已可以清晰地探測到。更靈敏的特征熱信號(hào)探測將對(duì)腫瘤早期篩查以及其它醫(yī)學(xué)診斷和外科手術(shù)輔助應(yīng)用帶來顯著的益處。

圖4. TIS的應(yīng)用展示——早期腫瘤篩查

由于微小的溫度浮動(dòng)廣泛存在于各種物體的表面，且往往意味著非常規(guī)的熱相關(guān)特征，TIS增強(qiáng)的紅外成像技術(shù)將預(yù)期影響很多其它領(lǐng)域，例如在更大的尺度下對(duì)建筑和橋梁中結(jié)構(gòu)缺陷的監(jiān)測，以及在更小的尺度下借助紅外顯微鏡對(duì)微生物和細(xì)胞活動(dòng)的表征。

美國伯克利加州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授Junqiao Wu（吳軍橋）為本文的通訊作者，原伯克利加州大學(xué)博士后，現(xiàn)北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院助理教授唐克超為本文第一作者，伯克利加州大學(xué)博士后董愷琛為共同一作。

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