在人眼無(wú)法看到的波長(cháng)范圍,紅外相機可以捕捉這些神秘的光線(xiàn),例如植物光合作用時(shí)發(fā)出的光,超酷的星體燃燒,電池發(fā)熱等等。它們還可以透視煙霧和塑料。
不過(guò),紅外相機對比可見(jiàn)光相機可貴多了。而且,紅外光的能量小于可見(jiàn)光,使其更難捕捉。而美國芝加哥大學(xué)(University of Chicago)的科學(xué)家們取得了新的突破,未來(lái)或能制造更具成本效益的紅外熱像儀,從而為智能手機等大眾消費電子產(chǎn)品提供紅外攝像頭,還能幫助自動(dòng)駕駛汽車(chē)更準確的探測周?chē)h(huán)境。
“制造紅外熱像儀的傳統方法在材料和時(shí)間方面成本都很高,但我們開(kāi)發(fā)的這種方法速度更快、性能更好,”博士后研究員Xin Tang說(shuō),他是這項發(fā)表在Nature Photonics上的研究成果的第一作者。
“這就是為什么我們對其潛在的商業(yè)價(jià)值非常興奮,”這項研究的共同作者、物理和化學(xué)教授Philippe Guyot-Sionnest說(shuō)。
目前的紅外熱像儀是通過(guò)連續制備多層半導體材料制成的,這是一種復雜且容易出錯的過(guò)程,這使得紅外熱像儀很昂貴,而很難進(jìn)入大眾消費電子產(chǎn)品。
Guyot-Sionnest的實(shí)驗室轉而研究量子點(diǎn)技術(shù)(只有幾納米的微小納米粒子,一納米大約是人體指甲每秒生長(cháng)的長(cháng)度)。在這種尺度上,它們表現出了很多獨特的屬性,會(huì )根據它們的大小而變化。科學(xué)家們可以通過(guò)調整粒子的大小來(lái)控制它們的特性。根據這一特性,科學(xué)家們可以調整量子點(diǎn)以捕捉紅外波段的光。
這種“可調性”對于紅外相機很重要,因為它們需要捕捉不同波段的紅外光譜。“捕捉紅外波段的多個(gè)波長(cháng),可以提供更多的光譜信息,就像為黑白電視增添色彩一樣,”Tang解釋道,“短波紅外可以提供紋理和化學(xué)成分信息,中波紅外可以提供溫度信息。”
他們通過(guò)微調量子點(diǎn)獲得一種檢測短波紅外光的方案和一種檢測中波紅外光的方案。然后將兩者都整合到硅片上。
由此獲得的紅外相機表現非常好,且制造更簡(jiǎn)單。“這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的過(guò)程,”Tang解釋說(shuō),“就像拿一個(gè)燒杯,注入一種溶液,再注入第二種溶液,然后等待五到十分鐘,就獲得了一種可以很方便制造功能器件的新溶液。”
科學(xué)家稱(chēng),廉價(jià)的紅外熱像儀有許多潛在的用途,包括依靠傳感器掃描道路和周?chē)h(huán)境的自動(dòng)駕駛汽車(chē)。還可以利用紅外光來(lái)檢測生物發(fā)出的熱量特征,它們還能穿透濃霧,因此汽車(chē)工程師會(huì )喜歡利用它們,但之前紅外熱像儀的成本太高了。
紅外熱像儀對科學(xué)家來(lái)說(shuō)也很有用。“如果今天我想為我的實(shí)驗室采購一臺紅外熱像儀,它將花費25000美元或更多,”Guyot-Sionnest說(shuō),“但紅外熱像儀在許多學(xué)科研究中都有用武之地。例如,生物學(xué)家可以利用蛋白質(zhì)發(fā)出的紅外信號進(jìn)行蛋白質(zhì)跟蹤。”