毫開爾文級別敏感度的常溫紅外探測

2020-12-22 知社學術圈

根據斯特藩-玻爾茲曼定律，常規材料的熱紅外輻射功率Prad正比於溫度T的四次方。基於此關係，紅外相機可以通過Prad的測量來表徵物體表面的溫度分布。常溫的紅外探測技術在紅外夜視，安全監控，電路檢測，醫學診斷，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量的關鍵性能參數。然而，以往的改善NEDT的工作主要局限於對紅外信號接收和傳感的改進，而忽視了從Prad與T的關係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）課題組另闢蹊徑，藉助金屬-絕緣體相變材料，光學諧振結構和薄膜轉移工藝，開發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正比於T4這一限制，將紅外探測的敏感度在現有基礎上提高了15倍以上，首次實現了毫開爾文級別的常溫紅外探測，對成像質量的提升，應用的拓展，以及新表徵技術的開發有重要意義。該研究成果以「Millikelvin-resolved Ambient Thermography」為題近日發表於國際著名學術期刊Science Advances。


圖1. 基於金屬-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處於絕緣體態時，其對紅外輻射基本透明，系統類似於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，轉變成金屬態的WxV1-xO2對紅外輻射有較高的吸收，結合1/4波長諧振腔結構，系統的ε 會展現出突然的增加。對於輻射率隨溫度變化的材料，紅外探測溫度TIR與實際溫度T 的關係可以表示為：

由於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，光學性質以及敏感度增強方面的表徵


製成的TIS薄膜具有良好的柔性，可以廣泛貼附於各種表面；而相變溫度可以通過W摻雜的濃度靈活調節，以適用於不同的應用場景（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」實驗展現。對於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，清楚地區分出兩個熱源。


電子器件的熱成像分析將極大地受益於溫度敏感度的增強。通過探測表面的微小焦耳發熱，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。如圖3A所示，工作在不同處理頻率的CPU會產生有微小不同的發熱量，而由TIS增強的紅外探測可以將其清晰地區分開，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的監控以及分析。


圖3. TIS的應用展示——電路工作狀態分析


除此之外，TIS技術將會給紅外醫學成像帶來突破性的發展。紅外成像技術已廣泛應用於生物醫學領域，尤其是通過對病變處溫度變化的表徵來篩查早期的腫瘤，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。在腫瘤細胞植入後第五天，對於光學成像和傳統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。更靈敏的特徵熱信號探測將對腫瘤早期篩查以及其它醫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


由於微小的溫度浮動廣泛存在於各種物體的表面，且往往意味著非常規的熱相關特徵，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築和橋梁中結構缺陷的監測，以及在更小的尺度下藉助紅外顯微鏡對微生物和細胞活動的表徵。


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後，現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後董愷琛為共同一作。

https://advances.sciencemag.org/content/advances/6/50/eabd8688.full.pdf

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