单结管

科技日报北京5月26日电 美国哥伦比亚大学应用物理学副教授拉莎· 文卡塔拉曼指导的研究团队开发了一种新技术，成功创建出首个单分子二极管，其性能比之前所有设计的要高50倍，有望在纳米器件领域获得实际应用。论文发表在5月25日的《自然· 纳米技术》杂志上。 　　单分子器件是电子设备微型化的极致。亚利耶· 艾佛莱姆和马克· 瑞特在1974年提出，单个分子可以作为整流器，一个单向的电流导体。此后，科学家相继演示了单分子连接到金属电极上(单分子结)可用作多种元件，包括电阻器、开关、晶体管，以及二极管。 　　由二极管充当电阀，其结构需要不对称，以使两个方向的电流处于不同环境。据物理学家组织网报道，为了开发单分子二极管，研究人员简单地设计了具有非对称结构的分子。 　　&ldquo 虽然这种不对称分子的确显示出一些类二极管特性，但它们并不有效。&rdquo 论文第一作者、博士生布莱恩· 卡珀兹解释说，&ldquo 设计良好的二极管应只允许电流沿一个方向流动&mdash &mdash 接通方向，并且电流强度要大。非对称分子设计往往会出现接通(开)和断开(关)两个方向上都有微弱电流流过的现象，并且开电流和关电流的比率(整流比)通常都很低。而理想情况是，整流比应该非常高。&rdquo 　　为了克服非对称分子设计的相关问题，文卡塔拉曼的团队将重点放在为分子结构创造一个不对称的环境上。他们的方法相当简单&mdash &mdash 用离子溶液包围活性分子，并用不同大小的金属电极接触分子。 　　结果，他们获得的单分子二极管的整流比达到了250，比以前的设计高出50倍。文卡塔拉曼指出，二极管中的开电流可超过0.1微安，对于单分子而言，这个电流已经很大了。此外，新技术很容易实施，可以应用于所有类型的纳米器件，包括那些用石墨烯电极制造的器件。 　　&ldquo 能够采用化学和物理学概念设计一个分子电路，并让它具备一定的功能性，这是很令人惊异的。&rdquo 文卡塔拉曼说，&ldquo 由于尺度如此之小，量子力学效应绝对是这一器件的一个重要方面。因此，能够创建一个看不见却表现得与预期一致的东西，这是一个真正的成功。&rdquo 　　研究团队目前正在努力理解这项成果背后的物理基础，并试图使用新的分子系统，进一步提高整流比。

随着科技的突飞猛进，我们逐渐揭开了光子的神秘面纱。由于光子的微弱特性，直接观测和探测它是一项巨大的挑战。因此，研发出能够探测单个光子的探测器成为了科学家们追求的重要目标。市面上已经有多种单光子探测器，比如光电倍增管、光子计数探头、MPPC和SPAD等。它们各有千秋，但要说到单光子探测的顶尖高手，那非光电倍增管莫属。那么，这些单光子探测器是如何工作的呢？接下来，让我们一一揭开它们的神秘面纱！01 光电倍增管光电倍增管的工作原理如下图所示：当单个光子到达阴极面的时候，由于光电效应会产生光电子，产生的光电子在聚焦电场的作用下进入倍增级实现连续的倍增，从而实现电信号的连续放大，最后通过阳极输出，这个过程就实现了单光子信号的探测。图1 端窗型光电倍增管结构02 光子计数探头除了光电倍增管裸管，也有光电倍增管模块能做到单光子探测，也被称之为光子计数探头。光子计数探头是在能够做单光子探测的光电倍增管的基础上增加了如下的信号处理电路，可以将单光子的输出信号转换为TTL 信号输出，通过对TTL信号进行计数，就可以得到光子数量，方便实际测试。图2 光子信号处理电路03 多像素光子计数器（MPPC）除了上面的真空电子管类型的光子计数探测器之外，目前半导体器件也能够进行光子计数，常见的就是多像素光子计数器，滨松也称之为MPPC，硅光电倍增管。其中，MPPC是一种由多个工作在盖革模式的APD组成的光子计数型器件，其中APD（雪崩光电二极管）是一种具有高速度、高灵敏度的光电二极管，当加有一定的反向偏压后，它就能够对光电流进行雪崩放大。而当APD的反向偏压高于击穿电压时，内部电场就会变强，光电流则会获得105～106的增益，这种工作模式就叫APD的“盖革模式”。在盖革模式下，光生载流子通过倍增就会产生一个大的光脉冲，而通过对这个脉冲的检测，就可以检测到单光子，实现单光子探测！图3 MPPC输出示意图04 单光子雪崩光电二极管（SPAD）除了MPPC之外，半导体探测器中单光子雪崩光电二极管也能进行单光子探测，我们称之为SPAD。SPAD可以理解为它是由单个MPPC像素形成的探测器，它只有一个像素点，也就是只有一个能工作在盖革模式下的APD，所以它无法反映光强度的变化，只能是对光的有无做出反应。而MPPC由于是多个像素的阵列，我们可以根据输出信号的幅度来判断光信号的强度。但是SPAD也能做到单光子的探测。05 光电倍增管单光子探测优势通过以上介绍我们可以看到，目前单光子探测器主要分为真空电子管和半导体探测器两个类型，他们都能实现单光子的探测，那么光电倍增管的优势在哪呢？光敏面积光敏面积是单光子探测中比较关键的一点。相对来说，面积越大，能够探测到的光子数也就越多，同时前端的光路也会相对比较简单，不需要复杂的聚焦系统。由于光电倍增管是真空电子管，我们是可以通过控制阴极面积的大小来决定探测器的光敏区域。目前滨松最大的光电倍增管阴极面直径能做到20英寸，光子计数探头模块阴极面积最大的直径在25毫米，能够满足不同光斑大小的探测需求。但是对于MPPC来讲，由于面积大小与其性能有直接联系，比如，暗计数率同光敏面积成正比，面积的增加会导致暗计数率的增加。由于半导体的固有热噪声较大，暗计数会随着面积的增加进一步导致波形堆叠，难以对单光子信号进行分析。此外，面积越大，寄生电容越大，影响MPPC的响应速度。暗计数暗计数是指探测器在没有光子进入的时候，探测器本身的信号输出。其中光电倍增管是真空电子管器件，噪声的主要来源是阴极面的热电子发射，暗计数的值大概在百个级别，常见的光子计数探测器H10682-110，典型的暗计数在50 cps，最大值在100 cps。而MPPC和SPAD是半导体探测器，不仅光子可以产生载流子，热电子也会产生载流子，热电子生成的载流子也具有单光子水平的信号电平，并且暗计数的水平明显高于光电倍增管的暗计数，暗计数的值大概上千，常见的MPPC光子计数模块C13366-1350GD，典型的暗计数在2.5 kcps，最大值在7 kcps。弱光信噪比不管是真空电子管还是半导体探测器，他们都能实现单光子探测，但是由于噪声的存在，相同信号的输入，会导致不同的信噪比。相对来说，信噪比越大，说明其中的噪声比较小，能够有效地反映信号的情况。通过对比目前滨松常见的光子计数探头和半导体光子探测器型号在同样光强环境下的信噪比，可以看到，在弱光环境中，光电倍增管具有一个很好的信噪比。图4 不同类型探测器弱光信噪比对比（光子计数探头&MPPC&SPAD）通过以上对比我们可以看到，光电倍增管在单光子探测中，具有面积大、噪声小、信噪比高的特点，所以在弱光探测环境中，我们还是推荐使用光电倍增管！以上就是本期的讲解，如果还有其他问题，欢迎评论区留言或者直接联系相关工程师获取技术支持。相关阅读喏，你要的光电倍增管全解析在这里~想了解光电倍增管原理及应用，这一场报告就够了关于光电倍增管（PMT）模块的选型与使用光电倍增管：光照灵敏度&辐射灵敏度“差别”在哪？光电倍增管动态范围的定义不是？而是？光电倍增管（PMT）分压器设计原理

在科研和工业生产中，电炉是不可或缺的重要设备。其中，1200℃单双温区开启式真空气氛管式电炉因其高精度、高效率的工作特点，被广泛应用于各种高温实验和材料制备。那么，这种电炉是如何工作的，它又具备哪些优势呢?接下来，让我们一起深入了解。　　1200℃单双温区开启式真空气氛管式电炉的工作原理涉及到多个方面。在加热原理上，电炉主要依靠电力产生热量，通过高温电阻丝将电能转化为热能。这种方式的优点是能量转化效率高，加热速度快。在温度控制方面，电炉采用了先进的PID温度控制系统，可以实现对温度的精确控制。同时，由于采用先进的智能芯片控制，温度波动小，精度高。气氛控制是这种电炉的另一大特点。通过向炉内通入特定的气体，可以创造出不同的气氛环境，如还原性、氧化性或中性气氛，以满足不同实验和材料制备的需求。　　1200℃单双温区开启式真空气氛管式电炉的优势有哪些呢?首先，其加热速度快，可以在短时间内达到高温，且温度均匀性非常好。这大大缩短了实验时间，提高了工作效率。其次，由于采用了先进的智能控制系统，电炉的操作非常简便。用户只需设定温度和时间等参数，电炉即可自动完成实验过程。此外，这种电炉还具有高可靠性和长寿命的特点。由于其内部采用优质材料和精密制造工艺，电炉的使用寿命长，可靠性高。　　1200℃单双温区开启式真空气氛管式电炉还具有多种安全保护功能。例如过温保护、过流保护等，确保实验过程的安全可靠。　　1200℃单双温区开启式真空气氛管式电炉以其高效、精确、安全的特点，成为科研和工业生产中的重要工具。无论是材料合成、化学反应还是高温烧结等应用场景，这种电炉都能提供出色的性能表现。随着技术的不断进步和应用需求的增加，我们有理由相信，未来的1200℃单双温区开启式真空气氛管式电炉将会更加智能化、高效化、安全化，为科研和工业生产带来更多的便利和可能性。