等离子体光电探测器助力实现精准农业

近日，北卡罗来纳州达勒姆——杜克大学已经开发出一种新的、可以在单个芯片上实现的广谱光电探测器。该光电探测器使用由电磁材料制成的片上光谱滤波器，跨越了一个光频率范围。该相机的技术基于等离子体技术——利用纳米级物理现象捕捉特定频率的光。

迈肯·米克尔森教授和她的团队利用基于等离子体的方法制造出了带有芯片过滤器的热成像相机，他们制作了100纳米宽的银立方体，并将它们置于一层透明薄膜上，薄膜的位置在一层薄薄的金层上方几纳米处。当光照射到纳米晶的表面时，它会激发银中的电子，以特定的频率捕获光的能量。这个频率是由银纳米晶的大小和它与金基层的距离决定的。通过在他们的装置中精确地裁剪尺寸和间距，研究人员能够控制被吸收的光的数量，并迫使系统对他们选择的任何电磁频率做出反应。

研究人员的下一个目标是利用这种现象来建造一个商用高光谱相机。为了做到这一点，他们认为需要一个由微小的、独立的探测器构成的网格，每个探测器都调整到不同的频率，并制成一个更大的“超像素”。

为了实现这一目标，研究小组展示了四个独立的光电探测器，它们的波长在750到1900纳米之间。探测器的等离子体元表面从入射光的特定频率吸收能量并被加热。高温导致位于超表面正下方的一层薄薄的热释电材料（氮化铝）的晶体结构发生变化。这种结构上的变化产生了一个电压，然后由底层读取，底层是将信号传输给计算机进行分析的硅半导体层。

米克尔森说：“我们的光电探测器不仅能工作，我们还看到了新的、意想不到的物理现象，这将使我们能够以多数量级的速度来进行检测。”

新的光电探测器由三层构成。银纳米管在一层薄薄的金层上的大小和间距决定了它们吸收的频率，从而使它们升温。一种叫做氮化铝的热电材料的薄层将热量转化为电信号，电信号被底部的一层硅半导体接收并传送。

图片来源：杜克大学

研究人员使用热释电材料来制作他们的探测器。以前的光电探测器是用热电材料制成的，但它们无法聚焦于特定的电磁频率。此外，为了产生足够的电信号，需要厚厚一层热释电材料，这使得这些光电探测器以非常慢的速度运行。

研究人员乔恩·斯图尔特说：“我们的等离子体探测器可以转换成任何频率，并捕获大量能量，从而产生大量热量。”“这种效率意味着我们只需要一层薄薄的材料，这大大加快了整个过程。”

之前任何类型的带片上过滤器的热成像相机的检测时间记录，无论是否使用热释电材料，都是337微秒。杜克大学研究小组基于等离子体的方法在仅仅700皮秒内就产生了一个信号，大约快了50万倍。研究人员认为，由于检测时间受到用于测量它们的实验仪器的限制，新的光电探测器在未来可以工作得更快。

Mikkelsen看到了基于该技术的商业相机的几个潜在用途，因为制造光电探测器所需的过程相对快速、廉价且可扩展。将多个具有不同频率响应的光电探测器组合在一个芯片上，可以使重量轻、价格低廉的多光谱照相机应用于癌症手术、食品安全检查以及该团队最初关注的精准农业等领域。Mikkelsen设想了一种廉价的手持探测器，可以从地面或廉价的无人机上拍摄农田图像。

一种新型的轻便、廉价的高光谱照相机将使精确农业成为可能。这张图显示了不同的像素是如何被调整到特定的频率的光，这表明了作物田的各种需求。

图片来源：杜克大学

“获得一个‘光谱指纹’可以精确地识别一种物质及其组成，”Mikkelsen说。“它不仅能表明植物的类型，而且还能确定它的条件，它是否需要水，是否有压力，或低氮含量，这表明需要化肥。“高光谱成像技术可以让化肥、杀虫剂、除草剂和水只在需要的地方使用，从而实现精准农业，节约用水和资金，减少污染。