前沿科技之納米技術新發現有望促使衛星紅外成像技術突破

掃街

倫斯勒理工學院(RPI,Rensselaer Polytechnic Institute)的研究人員開發出一種基于納米技術的新“顯微透鏡”(microlens)，該透鏡中黃金被利用來增強紅外成像信號。這項技術可能促使新一代超級衛星照相機和夜視設備的誕生。
研究人員利用納米金的獨特屬性，把光“擠”進設備表面的微孔里，使得量子阱紅外探測器 (QDIP) 的探測靈敏度增加了一倍。研究者希望通過改進能把探測靈敏度提高至20倍當前水平。項目負責人Shawn-Yu Lin是倫斯勒理工學院的物理學教授，同時也是該大學未來芯片和智能光學研究中心的成員。他表示，該項技術增強紅外探測器信號的同時沒有增加干擾噪音，這是近十多年以來少見的研究成果。紅外探測是備受各界矚目，這是因為高效的衛星紅外成像技術對國土安全、監測氣候變化和森林砍伐研究等十分重要，該項技術的發展潛力很大。Lin說到，這項新研究開創了研究量子阱紅外探測器的新路標，跨越了近十年以來技術發展瓶頸。同時，Lin在2008年還研制成功了世界上“最黑”的材料，該材料作為太陽能電池板涂層可吸收來自各個角度99.9%的光線。
' G3 t; V: B4 g# C) l) d8 h7 V7 z紅外成像探測器的靈敏度由接受到的信號與接收到的信號噪音的比值所得。目前較先進的成像探測器是基于汞-鎘-碲材料 (MCT) 的，可得到較強的信號，但是面臨著很多挑戰，比如說微弱信號成像時的長曝光時間問題。Lin的研究表明，利用納米級的黃金來聚集光線進入紅外線探測器，可增強光子的吸收，提高量子阱將光子轉化為電子的能力，這是令人振奮的成果。該研究成果已經發表在最新的在線Nano Letters上，該項研究由美國空軍科學研究辦公室資助。
新型量子阱紅外探測器的表面布滿了無數小孔，研究者在固體的表面覆著50納米，即50億分之一米大小的黃金，每個小孔的直徑約為1.6微米，也就是160萬分之一米，小孔深度約為1微米。這些小孔里布滿了納米級量子阱晶體，具有獨特的光學和半導體特性。引人注目的是，黃金表面的特性有助于聚集入射光直接進入小孔，并集中在量子阱上。這種聚集作用加強了量子阱與孔內“約束”光的作用，從而增強了量子阱將光子轉化為電子的能力。最終的結果是，Lin的設備產生的電場能量約是入射光能量的400倍。
/ d6 |! f, U# n在現有量子阱紅外探測器透鏡上加工小孔也能得到很好的效果，而且沒有增加額外的重量，減去了安裝和校準以百萬計微小透鏡的成本，這些對空間衛星來說十分重要。Lin的研究小組還在文章中證明量子阱紅外探測器的黃金納米層不會增加任何干擾噪音或對設備響應時間造成負面影響。他們計劃通過增大表面小孔直徑或調整量子阱的排列方式改進這項新技術。
Lin表示，幾年內他們將能夠創建一個20倍于當前信號水平的量子阱紅外探測器，這是一個合理的可實現的目標，而且將可為空間衛星成像、士兵夜視鏡、醫療成像設備提供技術支持。
' N1 x4 J* H! r  I該項研究合作的論文作者有倫斯勒高級研究科學家James Bur，研究生Chun-Chieh Chang和副研究員Yong-Sung Kim等人。