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開發(fā)了一種紅外探測敏感度增強(qiáng)貼膜

ExMh_zhishexues ? 來源:知社學(xué)術(shù)圈 ? 作者:知社學(xué)術(shù)圈 ? 2021-01-15 09:15 ? 次閱讀

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紅外信號接收和傳感的改進(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)了毫開爾文級別的常溫紅外探測,對成像質(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。

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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,其對紅外輻射基本透明,系統(tǒng)類似于一個簡單的金屬鏡面結(jié)構(gòu),具有低紅外輻射率ε;而當(dāng)溫度上升時,轉(zhuǎn)變成金屬態(tài)的WxV1-xO2對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會展現(xiàn)出突然的增加。對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:

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由于TIS的ε在相變溫度附近對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)毫開爾文級別的紅外探測,對多方面的應(yīng)用都有重大意義。

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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)。對于用通常紅外成像無法分辨出的兩個臨近熱源,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出精細(xì)的溫度分布,清楚地區(qū)分出兩個熱源。

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),極大地方便對電學(xué)器件和系統(tǒng)的監(jiān)控以及分析。

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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探測將對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。

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圖4. TIS的應(yīng)用展示——早期腫瘤篩查

由于微小的溫度浮動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微生物和細(xì)胞活動的表征。

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。

責(zé)任編輯:lq

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原文標(biāo)題:Science Advances: 毫開爾文級別敏感度的常溫紅外探測

文章出處:【微信號:zhishexueshuquan,微信公眾號:知社學(xué)術(shù)圈】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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