量子點技術：讓紅外攝像機更便宜！

導讀

近日，美國芝加哥大學科學家們的一項新突破，有朝一日將帶來便宜許多的紅外攝像機，使之可用於像手機這樣的普通消費電子產品，並作為感測器幫助無人駕駛汽車更準確地觀察周圍環境。

背景

人眼能夠看到的光線非常有限，波長大約在400納米（紫光）到700納米（紅光）之間。也就是說，超出這個範圍的光線或者電磁波，是我們肉眼無法看到的。紅外線就是這樣一種光線，顧名思義，紅外線是指「紅光外側的光線」，其波長範圍在760納米到1毫米之間。

（圖片來源：維基百科）

一般的物體都會輻射出紅外線，其宏觀效應就是熱度。例如，植物光合作用，冷星燃燒和電池變熱等現象都會輻射出這種神秘光線。雖然人眼看不到紅外線，但紅外攝像機卻可以捕捉到它。紅外攝像機可以穿過煙、霧和塑料觀察到物體發出的紅外線。

（圖片來源：維基百科）

可是，紅外攝像機比普通的可見光攝像機要昂貴得多；紅外線的能量比可見光的能量要小，所以捕捉紅外線的難度更高。

創新

然而，美國芝加哥大學科學家們的一項新突破，有朝一日將帶來便宜許多的紅外攝像機，使之可用於像手機這樣的普通消費電子產品，並作為感測器幫助無人駕駛汽車更準確地觀察周圍環境。

研究人員們為了測試以更低成本製造紅外攝像機的新方法所拍攝的照片。（圖片來源：Xin Tang）

這項研究的相關論文於2月25日發表在《自然光子學（Nature Photonics）》期刊上。

論文的第一作者 Xin Tang 表示：「製造紅外攝像機的傳統方法，在材料和時間方面的成本都非常高，而這種方法卻更加快速，並且性能卓越。」

論文合著者之一、物理與化學系教授 Philippe Guyot-Sionnest 表示：「這就是為什麼潛在的商業影響會令我們感到非常振奮。」

這篇論文的其他作者包括研究生 Matthew Ackerman 和 Menglu Chen。Matthew Ackerman 與 Tang 一起構想了這個器件，並開發了製造二極體的摻雜方法。科學家們使用了分子工程研究所的普里茨克納米製造設施。

技術

目前的紅外攝像機都是通過依次地放置多層的半導體來製造的。這種棘手且容易出錯的工藝，使得它們對於進入大多數消費電子產品來說太昂貴。

取而代之的是，Guyot-Sionnest 的實驗室採用了量子點，一種尺寸僅為幾個納米的微型納米顆粒。（一納米大約等於你的指甲每秒鐘生長的長度。）在這個尺度上，它們擁有根據尺寸變化的特性。科學家們通過將顆粒調整至特定尺寸來控制這些特性。在這種情況下，量子點經過調整後能捕獲到紅外線的波長。

HgTe 膠狀量子點雙波段探測器的設計與工作原理。（圖片來源：參考資料【2】）

這種「可調性」對於攝像機來說非常重要，因為他們需要捕捉紅外光譜的不同部分。Tang 解釋道：「在紅外線內採集多個波長，賦予你更多的光譜信息。這就像給黑白電視增添色彩一樣。短波帶給你質地和化學成分的信息，中波帶給你溫度信息。」

SWIR/MWIR 雙波段成像（圖片來源：參考資料【2】）

他們對於量子點進行了微調，從而分別擁有了檢測短波紅外線與中波紅外線的配方。然後，他們在硅晶圓上將這兩種配方放到了一起。

製造成的攝像機表現得極好，並且更易於生產。Tang 表示：「這是非常簡單的工藝。你拿起一個燒杯，注入溶液，再注入第二種溶液，等待5到10分鐘，你就可以擁有一種能輕鬆製作成功能器件的新溶液。」

價值

科學家們稱，這種低成本的紅外攝像機有著許多潛在應用，包括依靠感測器查看道路與環境的無人駕駛汽車。紅外線可以檢測生物體的熱特徵並且能夠穿透霧和霾，所以汽車工程師們想要採用它們，但是成本卻過高。

同樣，它們對於科學家們來說也很有用。 Guyot-Sionnest 表示：「如果我今天想要為我的實驗室購買一個紅外線探測器，將需要花費2萬5千美元。但是，它們對許多學科都非常有用。例如，蛋白質會發出紅外信號，而生物學家們可以輕鬆地追蹤這種信號。」

關鍵字

紅外線、量子點、攝像機、無人駕駛

參考資料

【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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