等離子體光電探測器助力實現(xiàn)精準農業(yè)

近日，北卡羅來納州達勒姆——杜克大學已經(jīng)開發(fā)出一種新的、可以在單個芯片上實現(xiàn)的廣譜光電探測器。該光電探測器使用由電磁材料制成的片上光譜濾波器，跨越了一個光頻率范圍。該相機的技術基于等離子體技術——利用納米級物理現(xiàn)象捕捉特定頻率的光。

邁肯·米克爾森教授和她的團隊利用基于等離子體的方法制造出了帶有芯片過濾器的熱成像相機，他們制作了100納米寬的銀立方體，并將它們置于一層透明薄膜上，薄膜的位置在一層薄薄的金層上方幾納米處。當光照射到納米晶的表面時，它會激發(fā)銀中的電子，以特定的頻率捕獲光的能量。這個頻率是由銀納米晶的大小和它與金基層的距離決定的。通過在他們的裝置中精確地裁剪尺寸和間距，研究人員能夠控制被吸收的光的數(shù)量，并迫使系統(tǒng)對他們選擇的任何電磁頻率做出反應。

研究人員的下一個目標是利用這種現(xiàn)象來建造一個商用高光譜相機。為了做到這一點，他們認為需要一個由微小的、獨立的探測器構成的網(wǎng)格，每個探測器都調整到不同的頻率，并制成一個更大的“超像素”。

為了實現(xiàn)這一目標，研究小組展示了四個獨立的光電探測器，它們的波長在750到1900納米之間。探測器的等離子體元表面從入射光的特定頻率吸收能量并被加熱。高溫導致位于超表面正下方的一層薄薄的熱釋電材料（氮化鋁）的晶體結構發(fā)生變化。這種結構上的變化產生了一個電壓，然后由底層讀取，底層是將信號傳輸給計算機進行分析的硅半導體層。

米克爾森說：“我們的光電探測器不僅能工作，我們還看到了新的、意想不到的物理現(xiàn)象，這將使我們能夠以多數(shù)量級的速度來進行檢測?！?/p>

新的光電探測器由三層構成。銀納米管在一層薄薄的金層上的大小和間距決定了它們吸收的頻率，從而使它們升溫。一種叫做氮化鋁的熱電材料的薄層將熱量轉化為電信號，電信號被底部的一層硅半導體接收并傳送。

圖片來源：杜克大學

研究人員使用熱釋電材料來制作他們的探測器。以前的光電探測器是用熱電材料制成的，但它們無法聚焦于特定的電磁頻率。此外，為了產生足夠的電信號，需要厚厚一層熱釋電材料，這使得這些光電探測器以非常慢的速度運行。

研究人員喬恩·斯圖爾特說：“我們的等離子體探測器可以轉換成任何頻率，并捕獲大量能量，從而產生大量熱量?！薄斑@種效率意味著我們只需要一層薄薄的材料，這大大加快了整個過程?！?/p>

之前任何類型的帶片上過濾器的熱成像相機的檢測時間記錄，無論是否使用熱釋電材料，都是337微秒。杜克大學研究小組基于等離子體的方法在僅僅700皮秒內就產生了一個信號，大約快了50萬倍。研究人員認為，由于檢測時間受到用于測量它們的實驗儀器的限制，新的光電探測器在未來可以工作得更快。

Mikkelsen看到了基于該技術的商業(yè)相機的幾個潛在用途，因為制造光電探測器所需的過程相對快速、廉價且可擴展。將多個具有不同頻率響應的光電探測器組合在一個芯片上，可以使重量輕、價格低廉的多光譜照相機應用于癌癥手術、食品安全檢查以及該團隊最初關注的精準農業(yè)等領域。Mikkelsen設想了一種廉價的手持探測器，可以從地面或廉價的無人機上拍攝農田圖像。

一種新型的輕便、廉價的高光譜照相機將使精確農業(yè)成為可能。這張圖顯示了不同的像素是如何被調整到特定的頻率的光，這表明了作物田的各種需求。

圖片來源：杜克大學

“獲得一個‘光譜指紋’可以精確地識別一種物質及其組成，”Mikkelsen說?！八粌H能表明植物的類型，而且還能確定它的條件，它是否需要水，是否有壓力，或低氮含量，這表明需要化肥?！案吖庾V成像技術可以讓化肥、殺蟲劑、除草劑和水只在需要的地方使用，從而實現(xiàn)精準農業(yè)，節(jié)約用水和資金，減少污染。