虹科分享 | 基于量子點(diǎn)的低成本太赫茲相機(jī)

太赫茲輻射的波長(zhǎng)介于微波和可見(jiàn)光之間，可以穿透許多非金屬材料并檢測(cè)某些分子的特征，這些特性可用于多種應(yīng)用，包括機(jī)場(chǎng)安全掃描、工業(yè)質(zhì)量控制、天體物理觀測(cè)、材料的無(wú)損表征以及帶寬高于當(dāng)前手機(jī)頻段的無(wú)線通信。

圖1 太赫茲在電磁頻譜的位置

如此多的應(yīng)用，離不開(kāi)太赫茲成像技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，通過(guò)各類太赫茲探測(cè)器去獲取太赫茲波與物體作用后的信號(hào)，結(jié)合圖像處理算法得到能夠反映物體內(nèi)部缺陷、異物以及各類結(jié)構(gòu)表征的完整圖像，是太赫茲技術(shù)應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè)、安檢的重要前提。因此，太赫茲探測(cè)器一直是科學(xué)家們研究的熱點(diǎn)課題，特別是開(kāi)發(fā)出檢測(cè)靈敏度高、響應(yīng)速度快、可室溫工作、便于集成超大規(guī)模陣列（多像元）的探測(cè)芯片具有重要科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

ONE

微測(cè)熱輻射計(jì)太赫茲相機(jī)

目前，設(shè)計(jì)用于檢測(cè)太赫茲波并制作圖像的設(shè)備一直具有挑戰(zhàn)性，比如低溫超導(dǎo)探測(cè)器靈敏度很高，但是設(shè)備價(jià)格昂貴、緩慢、笨重，并且需要真空系統(tǒng)和極低的溫度。另一類室溫探測(cè)成像的設(shè)備，則是采用微測(cè)熱輻射計(jì)(microbolometer)原理?；诠鉄嵝?yīng)的太赫茲微測(cè)輻射熱計(jì)具有室溫成像、實(shí)時(shí)成像、簡(jiǎn)單易攜且具有與紅外微測(cè)輻射熱計(jì)結(jié)構(gòu)、工藝相兼容等優(yōu)點(diǎn)。其基本工作原理為入射到微橋結(jié)構(gòu)的太赫茲輻射使得熱敏電阻層溫度產(chǎn)生變化，從而引起熱敏電阻層的阻值發(fā)生變化，在外加偏置的作用下產(chǎn)生相應(yīng)的電學(xué)信號(hào)輸出，最后還原成圖像信息。

圖2微測(cè)熱輻射計(jì)(microbolometer)的原理其中，微橋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是影響微測(cè)輻射熱計(jì)性能的關(guān)鍵因素。2005年美國(guó)MIT的Alan W.M.Lee等人提出了基于VOx焦平面探測(cè)器的連續(xù)波太赫茲透射成像，其采用了BAE System公司SCC 500L VOx焦平面探測(cè)器組件，像元數(shù)為160×120，像元尺寸為46um×46um，實(shí)現(xiàn)了2.52THz連續(xù)波透射成像，證明了采用微測(cè)輻射熱計(jì)作為太赫茲探測(cè)器的可行性。圖3 典型微橋結(jié)構(gòu)但由于相比于紅外輻射，太赫茲輻射的能量更低，波長(zhǎng)更長(zhǎng)，傳統(tǒng)的微橋結(jié)構(gòu)用于太赫茲波段時(shí)存在靈敏度不高且分辨率較低的問(wèn)題。為了提高微橋結(jié)構(gòu)對(duì)太赫茲輻射的吸收效率，必須設(shè)計(jì)新的微橋結(jié)構(gòu)，如將單層結(jié)構(gòu)改為雙層微橋結(jié)構(gòu)或者改變橋腿結(jié)構(gòu)等方案。2008年，日本NEC公司通過(guò)在傳統(tǒng)的基于VOx熱敏材料的微橋構(gòu)頂層增加一層金屬吸收層以提高微橋?qū)μ掌澼椛涞奈章?，采用該種結(jié)構(gòu)的微橋結(jié)構(gòu)對(duì)太赫茲輻射的探測(cè)率相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言有了一定提高。圖4 (a)“I 型”橋腿；(b)“L 型”橋腿；(c)改進(jìn)結(jié)構(gòu)由于太赫茲波段的microbolometer陣列工藝和紅外相機(jī)兼容，是最先實(shí)現(xiàn)太赫茲相機(jī)的芯片，也是目前研制太赫茲相機(jī)的主流。國(guó)外目前已經(jīng)有行業(yè)內(nèi)知名企業(yè)推出了成熟的太赫茲相機(jī)產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)占比穩(wěn)居前列。

圖5 虹科TE-HV太赫茲成像系統(tǒng)所采用的微測(cè)熱輻射計(jì)相機(jī)與對(duì)樹(shù)葉脈絡(luò)的成像效果。

除此以外，基于場(chǎng)效應(yīng)管的檢測(cè)器陣列、基于量子阱（QW）的多像元探測(cè)器陣列等技術(shù)也是研究的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)都致力于太赫茲陣列探測(cè)器的國(guó)產(chǎn)化研究，比如中科院蘇州納米所實(shí)現(xiàn)了晶體管混頻探測(cè)器的陣列化、上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所在量子阱探測(cè)器方面也有諸多突破，但目前還未實(shí)現(xiàn)完全商業(yè)化。

TWO

最新研究——量子點(diǎn)太赫茲相機(jī)

近期，麻省理工學(xué)院、明尼蘇達(dá)大學(xué)和三星的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新型相機(jī)，可以在室溫和高壓下快速、高靈敏度地檢測(cè)太赫茲脈沖。更重要的是，它可以同時(shí)實(shí)時(shí)捕獲有關(guān)波的方向或“極化”的信息，這是現(xiàn)有設(shè)備無(wú)法做到的，該信息可用于表征具有不對(duì)稱分子的材料或確定材料的表面形貌。

新系統(tǒng)使用了量子點(diǎn)，當(dāng)受到太赫茲波的刺激時(shí)，量子點(diǎn)可以發(fā)出可見(jiàn)光，可見(jiàn)光可以通過(guò)類似于標(biāo)準(zhǔn)電子相機(jī)探測(cè)器的設(shè)備記錄下來(lái)，甚至可以用肉眼看到。麻省理工學(xué)院博士生石焦建、化學(xué)教授基思·尼爾森（Keith Nelson）和其他12人于11月4日在《自然納米技術(shù)》雜志上發(fā)表的一篇論文中描述了該設(shè)備。

該團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)了兩種可以在室溫下運(yùn)行的不同設(shè)備：一種利用量子點(diǎn)將太赫茲脈沖轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光的能力，使該設(shè)備能夠產(chǎn)生材料圖像;另一個(gè)產(chǎn)生顯示太赫茲波偏振狀態(tài)的圖像。新的“相機(jī)”由幾層組成，采用標(biāo)準(zhǔn)制造技術(shù)制成，如用于微芯片的技術(shù)。一系列納米級(jí)平行的金線，由狹窄的狹縫隔開(kāi)，位于基板上;上面是一層發(fā)光量子點(diǎn)材料;上面是用于形成圖像的CMOS芯片。偏振檢測(cè)器，稱為旋光儀，使用類似的結(jié)構(gòu)，但具有納米級(jí)環(huán)形狹縫，使其能夠檢測(cè)入射光束的偏振。

圖7qTV CMOS太赫茲相機(jī)和旋光儀的原理圖。該器件包括涂有量子點(diǎn)和CMOS相機(jī)的場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)（納米狹縫或納米同軸）。插圖顯示太赫茲光子通過(guò)量子點(diǎn)之間的場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電荷轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光照片，然后在太赫茲脈沖結(jié)束后發(fā)生輻射復(fù)合。

太赫茲輻射的光子能量極低，這使得它們難以探測(cè)。所以，這個(gè)設(shè)備正在做的是將微小的光子能量轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)的東西，很容易用普通相機(jī)檢測(cè)到。在該團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)中，該設(shè)備能夠以低強(qiáng)度水平檢測(cè)太赫茲脈沖，這超過(guò)了當(dāng)今大型和昂貴系統(tǒng)的能力。研究人員通過(guò)拍攝其設(shè)備中使用的一些結(jié)構(gòu)的太赫茲照明照片來(lái)展示探測(cè)器的功能，例如用于偏振探測(cè)器的納米間隔金線和環(huán)形狹縫，證明了系統(tǒng)的靈敏度和分辨率。

圖8CMOS 捕獲的 qTV 圖像隨輸入太赫茲的偏振而變化。當(dāng)間隙方向垂直于場(chǎng)極化時(shí)，太赫茲場(chǎng)增強(qiáng)最強(qiáng)。

在初步評(píng)估中，該研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的太赫茲?rùn)z測(cè)相機(jī)取得了顯著的結(jié)果，可檢測(cè)峰值場(chǎng)低至10 kVcm的太赫茲脈沖-1在室溫下，具有快速響應(yīng)速率和高帶寬。該器件價(jià)格實(shí)惠，可擴(kuò)展到晶圓尺寸，用于大面積成像或其他大規(guī)模應(yīng)用。與過(guò)去設(shè)計(jì)的其他太赫茲輻射探測(cè)器相比，Nelson，Oh和Shi創(chuàng)建的相機(jī)可以同時(shí)檢測(cè)太赫茲光的強(qiáng)度及其偏振狀態(tài)。因此，在未來(lái)，它可以為太赫茲光的傳感和表征開(kāi)辟新的令人興奮的可能性。雖然研究人員表示，他們已經(jīng)通過(guò)他們的新工作破解了太赫茲脈沖檢測(cè)問(wèn)題，但缺乏良好的來(lái)源仍然存在—并且正在由世界各地的許多研究小組進(jìn)行研究。Nelson說(shuō)，新研究中使用的太赫茲光源是一個(gè)龐大而笨重的激光器和光學(xué)設(shè)備陣列，不容易擴(kuò)展到實(shí)際應(yīng)用，但基于微電子技術(shù)的新光源正在開(kāi)發(fā)中。該論文的合著者，明尼蘇達(dá)大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程麥克奈特教授Sang-Hyun Oh補(bǔ)充說(shuō)，用于該系統(tǒng)的CMOS相機(jī)的廉價(jià)性質(zhì)使其成為“朝著構(gòu)建實(shí)用的太赫茲相機(jī)邁出的一大步”。事實(shí)上，與現(xiàn)有的太赫茲探測(cè)器不同，整個(gè)太赫茲相機(jī)芯片可以使用當(dāng)今的標(biāo)準(zhǔn)微芯片生產(chǎn)系統(tǒng)制造，這意味著最終大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)該是可能的，而且相對(duì)便宜，商業(yè)化的潛力促使生產(chǎn)CMOS相機(jī)芯片和量子點(diǎn)器件的三星合作開(kāi)展這項(xiàng)研究。

THR

虹科太赫茲成像方案

虹科TeraEyes-HV實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)包括QCL源、光學(xué)模塊與太赫茲相機(jī)，完整成像配置，可實(shí)現(xiàn)高分辨全場(chǎng)實(shí)時(shí)成像，可用于無(wú)損檢測(cè)、安檢等諸多應(yīng)用。其中高頻段（2~5THz）太赫茲源基于量子級(jí)聯(lián)激光器原理，具有250um的最優(yōu)分辨率；太赫茲相機(jī)基于微測(cè)熱輻射計(jì)芯片，陣列384×288×35um，每秒可采集50幀圖像，搭配TeraLens高分辨率優(yōu)化太赫茲成像鏡頭，工作距離與景深可調(diào)，滿足多種應(yīng)用場(chǎng)景。除此以外，虹科還提供多種陣列可選的微測(cè)熱輻射計(jì)太赫茲相機(jī)，響應(yīng)范圍0.1-20THz，陣列從最低的160×120到最高百萬(wàn)像素，詳情請(qǐng)聯(lián)系虹科工作人員。