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2019年03月09日 | 量子点技术：让红外摄像机更便宜！
2019-03-09 来源：IntelligentThings
背景
人眼能够看到的光线非常有限，波长大约在400纳米（紫光）到700纳米（红光）之间。也就是说，超出这个范围的光线或者电磁波，是我们肉眼无法看到的。红外线就是这样一种光线，顾名思义，红外线是指“红光外侧的光线”，其波长范围在760纳米到1毫米之间。
（图片来源：维基百科）
一般的物体都会辐射出红外线，其宏观效应就是热度。例如，植物光合作用，冷星燃烧和电池变热等现象都会辐射出这种神秘光线。虽然人眼看不到红外线，但红外摄像机却可以捕捉到它。红外摄像机可以穿过烟、雾和塑料观察到物体发出的红外线。
（图片来源：维基百科）
可是，红外摄像机比普通的可见光摄像机要昂贵得多；红外线的能量比可见光的能量要小，所以捕捉红外线的难度更高。
创新
然而，美国芝加哥大学科学家们的一项新突破，有朝一日将带来便宜许多的红外摄像机，使之可用于像手机这样的普通消费电子产品，并作为传感器帮助无人驾驶汽车更准确地观察周围环境。
研究人员们为了测试以更低成本制造红外摄像机的新方法所拍摄的照片。（图片来源：Xin Tang）
这项研究的相关论文于2月25日发表在《自然光子学（Nature Photonics）》期刊上。
论文的第一作者 Xin Tang 表示：“制造红外摄像机的传统方法，在材料和时间方面的成本都非常高，而这种方法却更加快速，并且性能卓越。”
论文合著者之一、物理与化学系教授 Philippe Guyot-Sionnest 表示：“这就是为什么潜在的商业影响会令我们感到非常振奋。”
这篇论文的其他作者包括研究生 Matthew Ackerman 和 Menglu Chen。Matthew Ackerman 与 Tang 一起构想了这个器件，并开发了制造二极管的掺杂方法。科学家们使用了分子工程研究所的普里茨克纳米制造设施。
技术
目前的红外摄像机都是通过依次地放置多层的半导体来制造的。这种棘手且容易出错的工艺，使得它们对于进入大多数消费电子产品来说太昂贵。
取而代之的是，Guyot-Sionnest 的实验室采用了量子点，一种尺寸仅为几个纳米的微型纳米颗粒。（一纳米大约等于你的指甲每秒钟生长的长度。）在这个尺度上，它们拥有根据尺寸变化的特性。科学家们通过将颗粒调整至特定尺寸来控制这些特性。在这种情况下，量子点经过调整后能捕获到红外线的波长。
HgTe 胶状量子点双波段探测器的设计与工作原理。（图片来源：参考资料【2】）
这种“可调性”对于摄像机来说非常重要，因为他们需要捕捉红外光谱的不同部分。Tang 解释道：“在红外线内采集多个波长，赋予你更多的光谱信息。这就像给黑白电视增添色彩一样。短波带给你质地和化学成分的信息，中波带给你温度信息。”
SWIR/MWIR 双波段成像（图片来源：参考资料【2】）
他们对于量子点进行了微调，从而分别拥有了检测短波红外线与中波红外线的配方。然后，他们在硅晶圆上将这两种配方放到了一起。
制造成的摄像机表现得极好，并且更易于生产。Tang 表示：“这是非常简单的工艺。你拿起一个烧杯，注入溶液，再注入第二种溶液，等待5到10分钟，你就可以拥有一种能轻松制作成功能器件的新溶液。”
价值
科学家们称，这种低成本的红外摄像机有着许多潜在应用，包括依靠传感器查看道路与环境的无人驾驶汽车。红外线可以检测生物体的热特征并且能够穿透雾和霾，所以汽车工程师们想要采用它们，但是成本却过高。
同样，它们对于科学家们来说也很有用。 Guyot-Sionnest 表示：“如果我今天想要为我的实验室购买一个红外线探测器，将需要花费2万5千美元。但是，它们对许多学科都非常有用。例如，蛋白质会发出红外信号，而生物学家们可以轻松地追踪这种信号。”
参考资料
【1】https://news.uchicago.edu/story/breakthrough-could-enable-infrared-cameras-electronics-self-driving-cars
【2】Xin Tang, Matthew M. Ackerman, Menglu Chen, Philippe Guyot-Sionnest. Dual-band infrared imaging using stacked colloidal quantum dot photodiodes. Nature Photonics, 2019; DOI: 10.1038/s41566-019-0362-1
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