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量子井及光子晶體聯手加速紅外發射器

公告類型: 奈米新知
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紅外線熱發射器被廣泛應用在化學分析、生物感測及熱造影上,然而傳統的紅外線發射器元件有熱能-光能轉換速度太慢的缺點,原因是發射光的強度取決於周遭溫度,但溫度變化很難在短時間內加以控制。最近,日本科學家製作出新式紅外線熱發射器,其熱能-光能轉換速度比傳統快上10000倍,且頻寬比黑體輻射光譜(Blackbody Spectrum)窄了70倍。

根據克西荷夫(Kirchhoff)熱輻射定律,物體在某溫度T的熱輻射光譜為Ireal(w,T)=A(w)´IBB(w,T)其中A(w)為物體吸收光譜,IBB(w,T)為熱輻射強度光譜。藉由改變物體的溫度,可對其熱輻射強度做調整,但因溫度變化速率受限於物體和周遭環境的熱傳導,當頻率超過100 Hz時調整會變得非常困難。不過,克西荷夫熱輻射定律也顯示,若能在定溫下快速改變物體的吸收率(Absorptivity),熱輻射強度便能被更快速地控制。

京都大學的Susumu Noda等人最近利用內含量子井(Quantum Well)p-i-n二極體和二維光子晶體平板,製作出新式的紅外熱發射器。量子井為片狀半導體材料,而光子晶體是材料折射率呈周期性變化的奈米結構,能產生光子能隙(Band Gap)。光子能隙會影響光子在材料中的傳輸特性,如同半導體材料中利用週期性電位變化來定義導帶和禁帶,達到控制電子移動的目。拜光子能隙之賜,只有特定波段的光可通過光子晶體,其他波段的光會被反射。

Noda指出,量子井中由電子誘發的光躍遷(Optical Transition)及光子晶體中的光共振(Optical Resonance)會加強某一波長的光-物質交互作用,進而產生頻帶很窄的輻射。增加量子井中的電子數目,會加強光與物質的交互作用,進而提高熱輻射強度。反之則光與物質的交互作用會降低,使熱輻射強度減弱。研究人員在p-i-n二極體上施加偏壓,來控制量子井中的電子密度,並使用熱影像儀和傅立葉轉換紅外光譜儀(Fourier-Transform Infrared Spectrometer)為元件造影。他們證明施加交流電壓訊號,可以快速(600KHz)調制發射器的熱輻射強度,而輻射功率是利用碲化汞鎘 (HgCdTe)偵測器進行量測。

Noda表示,昂貴且笨重的紅外元件如機械調制器(Mechanical Choppers)、帶通濾波器(Bandpass Filter)和單色儀(Monochrometer)等,會逐漸被快速且窄頻帶的熱發射器所取代。未來,紅外發射器可用來製作更精巧的系統,例如化學分析儀、生物感測器、熱影像儀和環境偵測器等。

Noda的研究團隊正忙於製作適用在近紅外-遠紅外光譜的熱發射器,未來可在整個紅外光波段做超快(Ultrafast)波長掃描。詳見Nature Materials | doi:10.1038/nmat4043


原始網站:https://nano.nchc.org.tw/index.php?apps=news&mod=welcome&action=show&gid=980
譯者/譯者服務單位:吳俊緯/奈米科學網特約譯者   責任編輯:蔡雅芝 
發布日期: 2014/09/15
發布人員: 王芊樺