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基于等离子技术的光探测器可以支持精准农业

发布:laserpulse    |    2019-11-30 18:29    阅读:151
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杜克大学已开发出一种可在单个芯片上实现的新型广谱光电探测器。光电探测器通过使用由电磁材料制成的片上光谱滤光片来跨越光频率范围。该相机的技术基于等离子技术-利用纳米级物理现象来捕获特定频率的光。Maiken Mikkelsen教授及其团队采用基于等离子学的方法来构建带有片上滤光片的热像仪,并创建了100 nm宽的银色立方体,并将它们放在透明膜上,该透明膜位于金薄层上方几纳米处。当光入射到纳米立方体的表面时,它激发银中的电子,从而以特定的频率捕获光的能量。该频率由银纳米立方体的大小及其与金基层的距离确定。通过精确调整设置中的大小和间距,研究人员能够控制吸收的光量,并迫使系统对他们选择的任何电磁频率做出响应。

新型多光谱成像探测器的艺术性渲染。 根据它们的大小和间距,坐在薄金层上的纳米立方体会捕获特定频率的光,这会加热下面的材料以产生电子信号。 由Ella Maru Studio提供。

研究人员的下一个目标是利用这种现象来制造商用高光谱相机。为此,他们认为将需要一个由微小的独立检测器组成的网格,每个检测器都被调谐到不同的频率并被制成更大的“超像素”。为此,研究小组展示了四个适合750至1900 nm波长的独立光电探测器。探测器的等离子超表面从特定频率的入射光吸收能量并被加热。热量导致位于超颖表面正下方的热电材料(氮化铝)薄层的晶体结构发生变化。这种结构上的变化产生了一个电压,然后由一个底层(一个硅半导体层)读取电压,将信号传输到计算机进行分析。米克尔森说:“我们根本不知道可以做到这一点。” “不仅我们的光电探测器能够工作,而且我们看到了新的、出乎意料的物理现象,这将使我们能够以多倍的数量级加快这种检测的速度。”

新的光电探测器由三层构成。在金薄层上的银纳米立方体大小和间距决定了它们吸收的频率,从而使其发热。 然后,称为氮化铝的热电材料薄层将热量转换为电信号,该信号被底部的一层硅半导体层吸收并携带。 由杜克大学的乔恩•斯图尔特(Jon Stewart)提供。

研究人员使用热释电材料制造探测器。以前的光电探测器是用热释电制成的,但是它们不能专注于特定的电磁频率。同样,产生足够的电信号所需的热电材料的厚层导致这些光电探测器只能以非常慢的速度工作。研究员乔恩•斯图尔特(Jon Stewart)说:“我们的等离子探测器可以转换为任意频率,并捕获大量能量,以至于它们产生大量的热量。”“这种效率意味着我们只需要一层薄薄的材料,就可以大大加快这一过程。”

以前任何类型的带有片上滤波器的热像仪(无论是否使用热电材料)的检测时间记录为337微秒。杜克大学团队基于等离子技术的方法仅在700皮秒内就发出了信号,这大约快了50万倍。研究人员认为,由于检测时间受到用于测量它们的实验仪器限制,因此新型光电检测器将来可能会更快地工作。Mikkelsen看到了基于该技术的商用相机几种潜在用途,因为制造光电探测器所需的过程相对快速、便宜且可扩展。将多个具有不同频率响应的光电探测器组合在一个芯片上,可以使轻巧、廉价的多光谱相机用于癌症手术、食品安全检查以及该团队最初关注的精准农业等应用。米克尔森(Mikkelsen)设想了一种廉价的手持式探测器,该探测器可以对地面或廉价的无人机上的作物田进行成像。

一种新型的轻便、廉价的高光谱相机可以实现精确农业。 此图显示了如何将不同的像素调整为特定的光频率,以指示作物田的各种需求。 由杜克大学的Maiken Mikkelsen和Jon Stewart提供。

Mikkelsen说:“获得'光谱指纹'可以精确识别材料及其成分。” “它不仅可以指示植物的类型,还可以确定其状况,是否需要水,压力大或氮含量低,表明需要肥料。”高光谱成像可以通过允许肥料来实现精确农业, 农药、除草剂和水仅在需要的地方使用,以节省水和金钱,并减少污染。

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