開發(fā)了一種紅外探測敏感度增強貼膜

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系，紅外相機可以通過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在紅外夜視，安全監(jiān)控，電路檢測，醫(yī)學診斷，結構缺陷篩查，以及科學研究方面有廣泛應用。等效噪音的溫度差（Noise Equivalent Differential Temperature, NEDT）是決定紅外相機對溫度的敏感度和成像質(zhì)量的關鍵性能參數(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，而忽視了從Prad與T的關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在達到20-40 mK時遇到了瓶頸，過去的20年中一直沒有明顯的進展。

在此背景下，美國伯克利加州大學的Junqiao Wu（吳軍橋）課題組另辟蹊徑，借助金屬-絕緣體相變材料，光學諧振結構和薄膜轉(zhuǎn)移工藝，開發(fā)了一種紅外探測敏感度增強貼膜（Thermal Imaging Sensitizer, TIS）。TIS技術突破了Prad正比于T4這一限制，將紅外探測的敏感度在現(xiàn)有基礎上提高了15倍以上，首次實現(xiàn)了毫開爾文級別的常溫紅外探測，對成像質(zhì)量的提升，應用的拓展，以及新表征技術的開發(fā)有重要意義。該研究成果以“Millikelvin-resolved Ambient Thermography”為題近日發(fā)表于國際著名學術期刊Science Advances。

圖1. 基于金屬-絕緣體相變的TIS技術的結構，原理與應用示意圖

如圖1所示，TIS由鎢摻雜氧化釩（WxV1-xO2），BaF2，Ag結構組成。當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構，具有低紅外輻射率ε；而當溫度上升時，轉(zhuǎn)變成金屬態(tài)的WxV1-xO2對紅外輻射有較高的吸收，結合1/4波長諧振腔結構，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與實際溫度T的關系可以表示為：

由于TIS的ε在相變溫度附近對T 非常敏感，dTIR/dT可以遠遠突破傳統(tǒng)材料的限制（dTIR/dT~ 1），進而大幅度改善NEDT。在此項工作中，高達15以上的dTIR/dT可以實現(xiàn)毫開爾文級別的紅外探測，對多方面的應用都有重大意義。

圖2. TIS在物理結構，光學性質(zhì)以及敏感度增強方面的表征

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)”實驗展現(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，進而使得紅外成像可以辨識出精細的溫度分布，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。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增強的紅外探測可以將其清晰地區(qū)分開，進而判斷CPU的實時狀況。進一步的，通過校準電路板線路中的電流大小和發(fā)熱量，由TIS增強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），極大地方便對電學器件和系統(tǒng)的監(jiān)控以及分析。

圖3. TIS的應用展示——電路工作狀態(tài)分析

除此之外，TIS技術將會給紅外醫(yī)學成像帶來突破性的發(fā)展。紅外成像技術已廣泛應用于生物醫(yī)學領域，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的展示實驗中，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胞。在腫瘤細胞植入后第五天，對于光學成像和傳統(tǒng)紅外成像都無法觀察到的早期腫瘤點，由TIS增強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)學診斷和外科手術輔助應用帶來顯著的益處。

圖4. TIS的應用展示——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)的熱相關特征，TIS增強的紅外成像技術將預期影響很多其它領域，例如在更大的尺度下對建筑和橋梁中結構缺陷的監(jiān)測，以及在更小的尺度下借助紅外顯微鏡對微生物和細胞活動的表征。

美國伯克利加州大學材料科學與工程學院教授Junqiao Wu（吳軍橋）為本文的通訊作者，原伯克利加州大學博士后，現(xiàn)北京大學信息科學技術學院助理教授唐克超為本文第一作者，伯克利加州大學博士后董愷琛為共同一作。

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