超高量子效率超导单光子探测器

2022年8月19日，经国际电工委员会（IEC）批准，由中科院上海微系统所超导电子实验室尤立星研究员牵头制定的国际标准IEC 61788-22-3:2022 ED1 Superconductivity - Part 22-3: Superconducting strip photon detector - Dark count rate正式发布。该标准项目制定工作于2018年7月正式获批启动，经过四年的努力最终完成。这是全球首个单光子探测器的国际标准，也是在超导电子学领域我国牵头制定的首个国际标准。尤立星研究员团队在超导条带光子探测器研究方面具有广泛的国内外影响力，特别是在探测效率和暗计数研究方面，取得多项原创性成果；并成立高新技术企业赋同量子科技（浙江）有限公司，开展超导单光子探测技术产业化运作。尤立星研究员是IEC TC90 第十四工作组（WG14：超导电子器件）成员，一直代表中国积极参与超导电子器件领域的国际标准化工作，并因其在国际标准化方面的贡献获2018年度IEC 1906奖。IEC 61788-22-3作为首个超导条带光子探测器（SSPD）的国际标准，没有过去的相关经验可以借鉴。尤立星和同事杨晓燕博士围绕该国际标准开展了大量的技术标准文档写作、循环比对试验以及沟通协调工作，工作也得到了南京大学、天津大学等国内同行的大力支持。特别是这两年的全球新冠疫情和复杂的国际关系变化给相关国际交流、特别是国际循环比对试验带来了巨大的挑战。最终项目团队克服重重困难，完成了标准制定的所有工作。相关工作得到了全国超导标准化技术委员会（SAC/TC265）和IEC TC90第十四工作组的大力支持。备注：在学术界该类器件通常称为超导纳米线单光子探测器件（Superconducting Nanowire Single Photon Detector）。在IEC标准IEC61788-22-1中，该器件被命名为超导条带光子探测器Superconducting (Nano)Strip Photon Detector, 简称：SSPD或SNSPD。

近日，中国科学院上海微系统所李浩、尤立星团队等研制出基于小型液氦杜瓦（工作温度4.2K）、在1550nm波段系统探测效率超过70%的移动式超导单光子探测系统，为未来开展基于移动平台（机载、车载等）的高性能单光子探应用铺平了道路。相关研究成果以《在1550nm波段探测效率超过70%的移动式超导条带光子探测系统》（Mobile superconducting strip photon detection system with efficiency over 70% at a 1550 nm wavelength）为题，发表在《光学快报》（Optics Express）上。超导条带光子探测器（SSPD，Superconducting strip photon detector）作为高性能的单光子探测器，广泛应用于量子信息和弱光探测等领域，推动了相关领域的科技进步。然而，SSPD的综合探测性能依赖于器件的工作温度（温度越低，系统探测效率越高）。迄今为止，高效率的SSPD系统通常需要使用GM制冷机（T≤2.5 K）、吸附式制冷机（T≤0.85 K）甚至更低温度的制冷机。这些系统的质量、体积、功耗等成为限制SSPD在机载等移动平台应用的关键原因。若能在4.2K工作温度实现高效率SSPD，便可利用小型液氦杜瓦构建小型、低功耗、短时工作的超导单光子探测系统，为无人机、航空等移动平台应用提供可行的解决方案。SSPD的光响应性能与超导薄膜材料的无序度密切相关。利用高无序超导薄膜材料调控技术实现面电阻更高的超导薄膜材料，增强SSPD的探测灵敏度是提升SSPD工作温度的方法之一。本研究利用面电阻超过600Ω的NbTiN超导薄膜材料实现了4.2K工作温度近饱和探测效率的SSPD。同时，该工作研发制造了SSPD专用的小型液氦杜瓦，结合基于电池的低功耗电路模块，实现了探测效率超过70%的移动式单光子探测系统。研究工作得到国家自然科学基金和上海市“扬帆计划”等的支持。（左）液氦杜瓦的系统图；（右）移动式SSPD系统探测效率和暗计数性能曲线

一． 近红外双模式单光子探测器介绍SPD_NIR为900nm至1700 nm的近红外范围内的单光子检测带来了重大突破。 SPD_NIR建立在冷却的InGaAs / InP盖革模式单光子雪崩光电二极管技术上，是NIR单光子检测器的第一代产品，可同时执行同步“门控”（GM）和异步“自由运行”（FR ）检测模式。 用户通过提供的软件界面选择检测模式。冠jun级别的器件具有低至800 cps的超低噪声，高达30％的高校准量子效率，100 ns最小死区，100 MHz外部触发，150 ps的快速成帧分辨率和极低的脉冲 。 当需要光子耦合时，标准等级可提供非常有价值且经济高效的解决方案。基于工业设计，该设备齐全的探测器不需要任何额外的笨重的冷却系统和控制单元。 经过精心设计的紧凑性及其现代接口使SPD_NIR非常易于集成到最苛刻的分析仪器和Quantum系统中。OEM紧凑型 多通道控制器软件界面二． 近红外双模式单光子探测器原理TPS_1550_type_II是基于远程波长自发下变频的双光子源。TPS_1550_type_II采用波导周期性极化铌酸锂(WG-ppln)晶体，用于产生光子对。波导- ppln的转换效率比任何块状晶体都高2到3个数量级，并确保与单模光纤的高效耦合。0型和II型双光子的产生三． 近红外双模式单光子探测器应用特点特点： ▪ 自由模式 & 门模式▪ 集成电子计数▪ 校准后 QE可达 30%▪ TTL和NIM信号兼容▪ 暗记数 ▪ 盖革模式激光雷达▪ 量子密钥分发▪ 高分辨率OTDR▪ 光子源特性▪ FLIM 成像▪ 符合测试▪ 光纤传感四． 近红外双模式单光子探测器技术规格五． Aura 介绍AUREA Technology是法国一家知名的探测器供应商，公司致力于尖端技术的研发，基于先进的单光子雪崩光电二极管，超快激光二极管和快速定时电子设备，设计和制造了新一代高性能，功能齐全的近红外探测器。作为全球技术领导者之一，AUREA技术提供盖革模式单光子计数，皮秒激光源，快速时间关联和光纤传感仪器。此外，AUREA Technology直接或通过其在北美，欧洲和亚洲的专业分销渠道为200多个全球客户提供一流的专业支持。并与客户紧密合作，以应对当今和未来在量子安全，生命科学，纳米技术，汽车，医疗和国防领域的挑战。昊量光电作为法国AUREA公司在中国区域的独家代理商，全权负责法国Aurea公司在中国的销售、售后与技术支持工作。AUREA技术提供了新一代的光学仪器，使科学家和工程师实现卓越的测量结果。奥瑞亚科技与全球的客户和合作伙伴紧密合作，共同应对量子光学、生命科学、纳米技术、化学、生物医学、航空和半导体等行业的当前和未来挑战双光子是展示量子物理原理的关键元素，并实现新的量子应用。例如，双光子使量子密钥分发技术得以发展，以确保数百公里范围内的数据网络安全。在生物成像应用中，双光子光源产生原始的无色散测量。 更多详情请联系昊量光电/欢迎直接联系昊量光电关于昊量光电：上海昊量光电设备有限公司是光电产品专业代理商，产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、光学元件等，涉及应用涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防、量子光学、生物显微、物联传感、激光制造等；可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等服务。

仪器信息网讯 2011年3月7日至14日，南京大学携超导单光子探测器亮相国家“十一五”重大科技成就展。 超导单光子探测器 　　南京大学成功研制了超导单光子探测器芯片，建立了通讯光纤耦合的单光子信号检测系统，掌握了从材料生长到芯片制备，再到信号检测系统的全部技术。该探测器对1550nm波长信号的系统检测效率达4.2%，对660nm波长的系统检测效率高达30%，实验结果处于国际前列，标志着我国继俄、美、日后，成为第四个能独立研制超导单光子探测器的国家。

style type=" text/css" .TRS_Editor P{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor DIV{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor TD{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor TH{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor SPAN{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor FONT{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor UL{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor LI{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor A{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt } /style style type=" text/css" .TRS_Editor P{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor DIV{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor TD{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor TH{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor SPAN{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor FONT{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor UL{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor LI{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt }.TRS_Editor A{margin-top:0px margin-bottom:12px line-height:1.8 font-family:宋体 font-size:10.5pt } /style p 　　超导纳米线单光子探测器（SNSPD：Superconducting nanowire single-photon detector）作为一种高性能的单光子探测器，已广泛应用于量子信息、激光雷达、深空通信等领域，有力推动了相关领域的科技发展。 /p p 　　SNSPD器件主要有两种光耦合方式，一种是垂直光耦合方式，光纤端面平行于SNSPD光敏面，光子垂直入射到纳米线上，采用光学腔体或反射镜结构实现高效光耦合。利用该类耦合结构，中国科学院上海微系统与信息技术研究所已实现NbN基SNSPD系统探测效率超过90%，相关结果发表后受到国内外广泛关注。该光耦合结构的特点是，可以实现高光耦合效率，但受限于光耦合结构，工作波长范围受限。另一种光耦合方式是波导光耦合方式，将纳米线制备在光波导上，可实现高效的本征吸收。但光纤到波导的耦合效率较低，使这类器件仅能作为片上光子学的解决方案，无法作为独立单光子探测器使用。 /p p 　　上海微系统所/中国科学院超导电子学卓越创新中心尤立星研究员团队和浙江大学教授方伟、童利民团队合作，首次提出微纳光纤耦合的SNSPD器件结构。该结构将SNSPD器件置于微纳光纤的倏逝场内，实现纳米线对微纳光纤中传输的光子吸收。光学计算显示，该类结构有望实现高吸收效率的同时，保持很好地宽谱特性。经过上海微系统所巫博士君杰和浙江大学博士徐颖鑫等近3年实验探索，科研团队研制出微纳光纤耦合SNSPD器件。在1550nm/1064nm工作波长，系统探测效率分别达到20%/50%。相关成果近日发表在 em Optics Express /em 上，该结果有望在新型SNSPD器件及微纳光纤领域开辟新的研究方向。 /p p 　　研究工作得到了国家重点研发计划项目“高性能单光子探测技术”、中科院战略性先导科技专项（B）“超导电子器件应用基础研究”、自然科学基金以及上海市科委等的资助。 /p p br/ /p p style=" text-align:center " img alt=" " oldsrc=" W020171213665024470514.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201712/uepic/bc478657-1ca0-4a06-a7b0-fc3659b0aeca.jpg" / /p p style=" text-align: center " 微纳光纤耦合超导纳米线单光子探测器原理示意图 /p

近期，由中国光学工程学会、辽宁省科学技术协会主办的全国光电测量测试技术及产业发展大会暨辽宁省第十七届学术年会在大连成功召开。会议同期举办首届“金燧奖”中国光电仪器品牌榜颁奖典礼。仪器信息网作为大会独家合作媒体参与了本次会议，并采访了金燧奖银奖获奖单位代表科大国盾量子技术股份有限公司（以下简称“国盾量子”）光电产品总监高松。国盾量子的获奖项目为“近红外半导体单光子探测器”，该设备是一种能够将极微弱单光子信号转换为电脉冲信号的光电探测器，具备高探测效率、低暗计数等技术指标，可为异步弱光探测应用提供优秀的解决方案，已应用于单光子颗粒物雷达、单光子成像系统、单光子测距系统等产品中。该成果的研发背景和初衷是什么？ 该成果实现了怎样的创新突破，解决了什么样的关键问题，面向的主要用户有哪些？有哪些技术优势？随着技术的进步和产业的发展，未来还将对相关技术提出哪些技术需求和挑战？有哪些发展建议？科研院所和仪器企业如何打好“国产化攻坚战”？更多内容请观看视频： 首届“金燧奖”中国光电仪器品牌榜由中国光学工程学会联合多家单位于2022年发起，旨在积极面向国家重大战略需求，进一步突出企业的创新主体地位，促进关键核心技术攻关，突破卡脖子技术。本届“金燧奖”重点围绕分析仪器、计量仪器、测量仪器、物理性能测试仪器、环境测试仪器、医学诊断仪器、工业自动化仪器等7个类别进行广泛征集，得到了社会各界积极的参与和热情的响应。经过严格评审，71个优秀仪器产品脱颖而出，遴选出金奖10项、银奖16项、铜奖28项、优秀奖17项。这些产品都是我国自主研发、制造、生产的专精特新的高端光学仪器，较好地展现了我国在高端科学仪器中的自主核心竞争力，提升了民族品牌在激励市场竞争中的自信心，鼓舞了国产厂商的攻关热情。

p style=" text-align: justify text-indent: 2em " & nbsp 由无锡中微晶园电子有限公司牵头承担的国家重点研发计划“重大科学仪器设备开发”重点专项“高灵敏硅基雪崩探测器研发及其产业化技术研究”项目经过近两年的努力，突破了低抖动、大光敏面硅单光子探测芯片设计、界面电场调控的离子注入和氧化层制备、低噪声芯片封装等关键技术，开发出硅单光子探测器样机。近日，项目顺利通过了科技部高技术中心组织的中期检查。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 硅单光子探测器具有超高灵敏度，是300-1100nm波段超高灵敏探测不可替代的关键芯片，且器件性能稳定可靠、易形成面阵，是实现远距离精密测量、激光雷达等重大科学仪器的关键核心部件之一。目前国内硅单光子探测芯片主要依赖进口，且阵列芯片禁运。开展硅单光子探测器的自主化研究，对独立自主研制精密测量、激光雷达等装备具有重要意义。项目提出了雪崩过程随机性电场抑制方法，基于国产硅片和研发平台，研制出大光敏面、低时间抖动的硅雪崩探测器芯片，开发了一系列可工程化应用的制备关键技术，并在“北斗系统”开展了激光测距示范应用；同时还面向智能交通的市场需求，研制出线性模式硅雪崩探测器。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 该项目下一步将加快产品化开发，提高产品技术成熟度，加快产品应用示范及推广。& nbsp /p

通过开发一系列X射线光子计数型HPC探测器，来自捷克的ADVACAM团队积累了大量科研及工业领域的应用经验。探索的脚步从未停止，通过不断开发新的成像解决方案，ADVACAM探测器的能力得到不断提升。例如，WidePIX系列探测器就很好的展现了团队的创新能力。新一代的widepix探测器可广泛用于各行各业，包括矿物分析、临床前医学测试、安检、食品检测、艺术品检测等。WidePIX F：世界上最快的高分辨率工业相机基于光子计数技术，WidePIX F光谱相机拥有颠覆性的X射线成像技术，是目前处于世界领先级别的高性能工业相机。它进一步优化、提升了快速移动物体的扫描能力，是进行矿物分析，矿石分选到食品检测，临床前医学，安检或任何带有传送带系统应用的理想工具。分辨率：55微米-比目前采矿作业中常规使用的系统高20倍。探测速度：高达5米/秒 -食品检查的标准速度约为20厘米/秒，这意味着在同样的时间内，WidePIX F可以比常规方案多扫描25倍的材料。颜色/材料灵敏度：提高灵敏度对于矿石分选至关重要，请参考以下应用。MinningWidePIX可直接观察到矿石的内部结构并区分有价值的矿石和废石。使用WidePIX高分辨成像探测器，矿石通常呈现出微粒或脉络状的典型结构。由于该探测器具有多光谱高灵敏度的特性，可以通过图像中采集到的不同颜色来区分各类矿石。欧洲X-MINE项目Advacam为欧洲采矿项目X-MINE定制光子计数型X射线探测器WidePIX 1X30的结果表明，WidePIX探测器甚至可以分选铜矿石，这是传统的成像系统无法实现的。MedicineWidePIX L探测器还可用于非侵入式医学成像。例如，我们可以制作活体小老鼠的实时X射线影像，观察心跳，所有行为不会对小动物造成任何伤害。Others超快WidePIX探测器，可以在设备保持高速运行的同时（例如发动机，涡轮机等），对快速移动的物体进行X射线检测。Advacam可提供不同规格尺寸的光子计数型X射线探测器，其产品线包括WidePIX系列、MiniPIX系列及AdvaPIX系列，除标准尺寸外也可根据需求定制。相关产品阅读：最新到货—超高性价比教育版辐射粒子探测器MiniPIX EDU来咯！Advacam新品|Widepix 2(1)x10-MPX3探测器：双读出网口，170帧/sADVACAM再添新成员，MiniPIX TPIX3即将面世！ADVACAM辐射检测相机 -应用于粒子追迹Advacam同NASA（美国航空航天局）及ESA（欧洲航空航天局）保持很好的项目合作关系， 其产品及方案也应用于航空航天领域。目前Advacam已将其探测器应用到了多个项目中。相关应用案例：探寻宇宙奥秘的脚步从未停歇，ADVACAM参与研发项目合辑 关于Advacam公司最新合作项目：搭载Minipix探测器，可搜寻辐射的辐射探测无人机使用Widepix 1x5 MPX3 CdTe探测器进行X射线谱学成像Minipix探测器用于NASA未来项目辐射剂量监测

近日，中科院上海微系统所尤立星、李浩团队，陶虎团队以及上海交通大学王增琦团队合作，结合超导纳米线单光子探测技术、双光子3D打印编码滤波技术、计算重构技术等实现单光子计数型光谱分析仪。相关成果以“Superconducting Single-Photon Spectrometer with 3D-Printed Photonic-Crystal Filters”为题于2022年9月27日在线发表在中科院一区学术期刊ACS Photonics上，并被选为当期副封面论文。 图1 集成3D-打印滤波器的超导单光子光谱仪概念图 　　光谱作为物质的指纹，是人类认知世界的有效手段，在科学研究、生物医药等领域已经有了较为普遍的应用。目前，在单光子源表征、荧光探测、分子动力学、电子精细结构等领域的光谱测量，已经达到了量子水平，例如，在生物、化学和纳米材料领域需要对单个原子、分子、杂质等微弱光谱进行探测分析，这些光谱覆盖范围广，强度弱，因此，对宽谱、高灵敏度、高分辨率的光谱探测器存在迫切需求。 　　传统的半导体探测器如光电倍增管(PMT)、雪崩二极管(SPAD)等虽然实现了单光子灵敏度的探测，但是存在近红外探测效率低，噪声大，探测谱宽有限等问题。近年来快速发展起来的超导纳米线单光子探测器(SNSPD)因其高效率(90%)、低暗计数(0.1cps)、低抖动(~3ps )、宽谱(可见～红外)的优异性能，在众多领域都得到了应用。将SNSPD集成到光谱分析仪中，不仅能够实现极弱光的光谱测量，还具备非常宽的工作范围，在量子信息技术、天文光谱、分子光谱等领域具有重要的应用价值。该工作中，合作团队利用超导单光子探测器的高效、宽谱等性能优势，首先设计制备4*4阵列型偏振不敏感超导单光子探测器，然后借助双光子3D打印技术的灵活性在每个探测器像元上制备光子晶体编码滤波器，最后通过分析探测像元光谱响应特性等建立了计算光谱重构问题的数学模型，最终实现光子计数型光谱分析仪。 　　文中该光谱分析仪工作范围覆盖 1200~1700nm，灵敏度达到-108.2dBm，分辨率~5nm。相比当前商业光谱仪的灵敏度(一般灵敏度在-60~90dBm),具有两个数量级以上的提升，为单光子源表征、前沿天文光谱学、荧光成像、遥感、波分复用量子通信等微弱光谱分析领域的研究提供了有效的解决方案。论文第一作者为上海微系统所博士研究生肖游，第二作者为上海微系统所博士研究生维帅，第三作者为上海交通大学徐佳佳。通讯作者为上海微系统所陶虎研究员、李浩研究员、尤立星研究员。该研究得到了国家自然科学基金(61971408 、61827823), 重点研发计划 (2017YFA0304000), 上海市量子重大专项 (2019SHZDZX01), 上海市启明星(20QA1410900)以及中科院青促会 (2020241、2021230)等项目的支持。论文致谢清华大学张巍教授、郑敬元博士的讨论。

中国科学院紫金山天文台与中国电子科技集团第十三研究所合作，实现了基于超导体-石墨烯-超导体(SGS)约瑟夫森结的太赫兹频段高灵敏度探测器。近期，相关研究成果以A terahertz detector based on superconductor-graphene-superconductor Josephson junction为题，发表在Carbon上。 　　太赫兹频段(0.1-10 THz)介于微波与红外之间，是天文学领域观测早期遥远天体、冷暗天体及被尘埃遮掩而光学不可见天体等的独特“窗口”。在技术上，太赫兹频段处于电子学向光子学的过渡区域，是有待全面开发的电磁谱段。科研人员不断尝试新材料和新技术，以期实现背景极限灵敏度的天文探测。近年来，基于二维石墨烯材料的高灵敏度探测器技术快速发展，特别是二维石墨烯材料和超导材料相结合的SGS约瑟夫森结超导探测器已在微波波段实现，并有望拓展到太赫兹谱段，为研制高灵敏度太赫兹超导探测器开辟新途径。 　　该研究采用高温热解法外延生长的双层石墨烯薄膜作为微桥，连接两个铌(Nb)超导电极，研制出太赫兹谱段基于二维石墨烯材料SGS约瑟夫森结高灵敏度超导探测器。当石墨烯薄膜长度缩短至亚微米尺度时，科研团队观测到铌超导电极与石墨烯微桥间临近效应(Proximity effect)导致的约瑟夫森隧穿现象。研究通过监测石墨烯微桥中因吸收辐射引起的电流变化，即可检测太赫兹辐射信号。科研人员采用低噪声超导量子干涉仪(SQUID)作为该SGS约瑟夫森结探测器的读出电路，在1.4 THz频段和0.1-0.6K温区测得光学噪声等效功率(NEP)为2.5-5×10-16 W/Hz0.5，达到了该频段地面观测背景极限探测灵敏度。该研究首次在太赫兹谱段实现基于SGS约瑟夫森结高灵敏度探测器技术，拓展了二维石墨烯材料的应用方向，为研制天文应用大规模阵列太赫兹探测器提供新的技术途径。 　　研究工作得到国家自然科学委优秀青年科学基金项目、中科院关键技术研发团队项目等的支持。太赫兹超导体-石墨烯-超导体约瑟夫森结探测器示意图(左)和不同偏压下实测探测器灵敏度(光学噪声等效功率/NEP)随环境温度变化(右)

一根燃烧的蜡烛1秒钟可以发射出100亿亿个以上的光子，要探测到能量如此小的单个紫外光子一直是世界技术难题。记者昨天获悉，南京大学电子科学与工程学院长江特聘教授陆海为首的研究团队近来获得突破，在国内首先研制出超灵敏度的固体紫外单光子探测器，从而使中国成为继美国之后第二个掌握这一核心技术的国家。 　　&ldquo 自然界中波长小于280纳米的紫外光几乎为零，所以我们探测它相当于在暗室中探测光，只要发现一个小光点就一定是目标。&rdquo 陆海介绍说，可探测400纳米以下紫外辐射的紫外光探测器，是火焰探测、环境监测、生物医药、空间科学等领域所急需的关键部件，也是关系到国家安全的关键技术，可以用来检测海上油污、卫星遥感监测雾霾等。 　　光子是光的最小能量量子，也是光作为信息载体的最小传输单位。一根蜡烛1秒钟释放出的超100亿亿个光子中，假设紫外光子只占万分之一，那么在完全不考虑飞行损耗的情况下，1公里以外，面积为1平方厘米的镜头1秒钟只能接收到1000个紫外光子。专门用来捕捉这些&ldquo 小家伙&rdquo 的单光子探测器一直是世界各国研究和竞争的焦点。 　　陆海举例说，导弹的飞行尾焰中存在像指纹一样的特殊紫外光谱成分，但距离越远能够传输过来的紫外光就越微弱。利用超灵敏度紫外单光子探测器就有可能在上千公里以外探测和分辨出来袭飞弹，为反制或者规避提供宝贵时间。之前，国际上只有美国罗格斯大学、弗吉尼亚大学、通用电气研发中心三家美国单位成功研制碳化硅单光子探测器。而南大研究团队此次获得突破后，跻身成为第四家。 　　南大研究团队研制出的紫外单光子探测器，基于碳化硅半导体芯片技术，能灵敏捕捉到紫外单光子，并且打破了过去依赖于超低温条件的瓶颈。&ldquo 我们的探测器在150℃下仍能正常工作，这是原来任何单光子探测技术都无法达到的。&rdquo 陆海说。这一突破也引起了国际关注，欧洲的《今日半导体》杂志专门长文报道了南大的这一研究成果。 　　同时，该探测器有显著的成本优势，有望向民用领域大规模推广，比如高压输电线和高铁供电线路上出现电晕、污闪时，可用其远程检测和定位。&ldquo 目前，紫外火灾报警器用的真空紫外光敏管，综合成本很高。&rdquo 陆海拿出一枚耳钉大小的器件介绍说，未来用如此小的单光子探测器件，不仅造价更便宜，而且防爆、使用寿命更长。 　　眼下，南大研究团队在该领域的部分研究成果已开始进入产业化阶段。过量的紫外线照射易诱发皮肤癌，韩国三星公司日前发布的Note4手机就装备了微型紫外线传感器，受到消费者欢迎。而南大研究团队正在和华为合作的贴片封装紫外探测器，尺寸比米粒还小，也将安装到手机或智能手环中，藉由它，用户可随时随地检测所处环境的紫外线强度，以及时防护。

太赫兹频段（0.1-10THz）是探测早期冷暗宇宙及宇宙生命环境等的独特波段。太赫兹天文学的兴起得益于高灵敏度超导探测技术的发展。近年来，类似于光学CCD的太赫兹大规模阵列超导探测器技术发展迅速，在宇宙学和天体物理学研究中发挥越来越重要的作用。这类探测器主要包括超导动态电感探测器（KID）和超导相变边缘探测器（TES）两种技术。其中，KID探测器具有器件结构和读出电路均相对简单的优势，更易于实现超大规模阵列。 　　近期，中国科学院紫金山天文台毫米波和亚毫米波技术实验室在超导KID探测器技术研究方面取得新进展，基于相对较厚（120nm）的超导铝膜，在同一芯片上制备了0.35/0.85/1.4THz三频段超导KID探测器，并在1皮瓦（pW）以上光辐射时均观测到光子涨落导致的背景噪声，在1飞瓦（fW）以下光辐射时观测到准粒子产生—复合噪声，探测灵敏度达6×10-18 W/Hz0.5，远优于地面太赫兹天文观测的背景极限。 　　该研究有助于推动对超导KID探测器噪声机理的深入理解及未来更大规模、更高灵敏度太赫兹天文相机研制。 　　相关研究成果发表在《中国科学（英文）》上。研究得到国家杰出青年基金项目、中科院关键技术研发团队项目支持。 　　论文链接

table border=" 1" cellspacing=" 0" cellpadding=" 0" width=" 600" tbody tr td width=" 109" p style=" line-height: 1.75em " 成果名称 /p /td td width=" 549" colspan=" 3" p style=" line-height: 1.75em " 时间相关拉曼-荧光光谱仪关键部件--时间相关光子计数探测器 /p /td /tr tr td width=" 109" p style=" line-height: 1.75em " 单位名称 /p /td td width=" 549" colspan=" 3" p style=" line-height: 1.75em " 北京师范大学 /p /td /tr tr td width=" 109" p style=" line-height: 1.75em " 联系人 /p /td td width=" 132" p style=" line-height: 1.75em " 韩德俊 /p /td td width=" 95" p style=" line-height: 1.75em " 联系邮箱 /p /td td width=" 322" p style=" line-height: 1.75em " djhan@bnu.edu.cn /p /td /tr tr td width=" 109" p style=" line-height: 1.75em " 成果成熟度 /p /td td width=" 549" colspan=" 3" p style=" line-height: 1.75em " □正在研发 √已有样机 □通过小试 □通过中试 & nbsp & nbsp □可以量产 /p /td /tr tr td width=" 109" p style=" line-height: 1.75em " 合作方式 /p /td td width=" 549" colspan=" 3" p style=" line-height: 1.75em " √技术转让 □技术入股 □合作开发& nbsp & nbsp □其他 /p /td /tr tr td width=" 658" colspan=" 4" p style=" line-height: 1.75em " strong 成果简介： /strong br/ & nbsp & nbsp & nbsp /p p style=" text-align:center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201603/insimg/d2651cc2-003a-47d8-8c21-0404be413e72.jpg" title=" 样机图片 时间相关拉曼-荧光光谱仪关键部件--时间相关光子计数探测器.jpg" width=" 350" height=" 229" border=" 0" hspace=" 0" vspace=" 0" style=" width: 350px height: 229px " / /p p style=" line-height: 1.75em " & nbsp & nbsp & nbsp 本项目研究了基于独创的外延层体电阻淬灭硅光电倍增器（SiPM）的时间相关光子计数探测器技术，验证以这种探测器为关键部件的一种新的光谱仪--时间相关拉曼-荧光谱仪的可行性和先进性。 br/ & nbsp & nbsp & nbsp 采用我们独创的外延层体电阻淬灭SiPM作为光子计数探测器，能够在较宽光强范围内对光脉冲进行光子计数测量，其时间分辨率高于CCD（包括ICCD）或光电倍增管（PMT）。 br/ & nbsp & nbsp & nbsp 采用我们提出基于SiPM的时间相关光子计数（TCPC）法，既能测量一个脉冲仅包含一个光子的情况，也能测量一个脉冲包含多个光子的情况。能够克服一般时间相关单光子计数（TCSPC）法测量效率较低、测量速度较慢的问题。 br/ & nbsp & nbsp & nbsp 研制出基于条形SiPM的时间相关光子计数探测器（TCPC）样机。其时间分辨率优于100皮秒，暗计数率低于200kHz,峰值探测效率大于15%。验证该新型光谱仪能够克服一般拉曼光谱仪存在荧光背底干扰以及一般荧光光谱仪不能测量荧光寿命的问题。 br/ /p /td /tr tr td width=" 658" colspan=" 4" p style=" line-height: 1.75em " strong 应用前景： /strong br/ & nbsp & nbsp & nbsp 一台以本项目研制的探测器为关键部件的低成本时间相关拉曼-荧光光谱仪的功能和应用范围好于或相当于现有拉曼光谱仪、荧光光谱仪以及荧光寿命测量仪三台仪器之和，而其制造成本只与这三种仪器中的一种相当。并且，能够克服一般拉曼光谱仪存在荧光背底或高温样品存在热辐射干扰以及一般荧光光谱仪不能测量荧光寿命的问题。预期在环境监测、食品安全及公共安全等领域，乃至单分子光谱、激光测距以及飞行时间（TOF）测量等方面都将有重要的应用。 /p /td /tr tr td width=" 658" colspan=" 4" p style=" line-height: 1.75em " strong 知识产权及项目获奖情况： /strong br/ & nbsp & nbsp & nbsp 开发研制出时间相关光子计数探测器（TCPC）样机，由条形SiPM探测器和前置放大器组成的探头，以及给SiPM和前放供电的电源组成。 br/ & nbsp & nbsp & nbsp 韩德俊、王慎远、苗泉龙，“拉曼散射光谱的测量装置及拉曼散射光谱仪”，专利申请号：201510394150.X，申请日：2015年7月7日。 /p /td /tr /tbody /table p br/ /p

据美国物理学家组织网2月7日报道，瑞典查尔姆斯理工大学的科学家开发出迄今世界上最灵敏的新式声波探测器，能检测到量子水平的声波。该研究有望带来一种将声子和电子结合在一起的量子电路，为量子物理开辟新的研究方向。相关论文发表在最近出版的《自然物理学》上。 　　这种“量子麦克”探测器是一种压电耦合单电子晶体管，这种晶体管中通过电流时，一次只过一个电子。研究小组模拟了卵石投入池塘形成的涟漪，并让这种声波在微晶片的表面而不是在空气中传播。这种声波波长仅3微米，但声波传过来时，探测器能迅速感知到。 　　他们还在芯片表面制作了一种3毫米长的回音腔，这样即使声音在晶体上传播的速度是其在空气中的10倍，探测器也能够极灵敏地追踪声波脉冲在回音腔壁之间来回反射，由此能清晰检出声波的性质。 　　研究人员指出，这种表面声波探测对波峰高度只有质子直径的百分之几的声波敏感，探测灵敏度在单个声子水平，频率为932兆赫兹。如此轻微的声音遵从量子力学法则而不是经典力学法则，其性质更像是光。 　　“该实验是用经典声波来做的，但我们把各项准备工作就绪，却发现研究的是标准的量子声波，此前还没有人做过这样的实验。”论文第一作者、博士生马丁古斯塔夫森说。 　　“量子麦克”探测器能检测的声波不仅极其轻微，其频率几乎达到了1千兆赫，比一组A音高21个八度。这种音调对人类听觉而言是太高了。研究人员还指出，他们的项目将表面声波的独特性和量子电路紧密结合在一起，为研究开辟了新方向，如声子—声子的相互作用、声波结合超导量子比特研究等。

无损检测（NDT）无损检测（NDT）是指在不破坏样品可用性的条件下，对材料、部件或组件的裂缝等不连续性或特性差异进行检查、测试或评估。基于光子计数X射线能谱成像的无损检测技术提供了样品的额外材料信息，以及卓越的对比度和空间分辨率。标准射线照相X射线成像可以提供被检样品的黑白强度或密度图像，如果图像分辨率和信噪比合适，则可观察到何处有缺陷、杂质或裂纹。而基于光子计数X射线能谱成像的无损检测技术提供了样品的材料信息，同时具有良好的对比度和高空间分辨率。光谱信息可以用于区分不同的材料，可识别感兴趣的材料或计算其在样品中的含量。下图是用WidePIX 5x5 CdTe光子计数探测器获取的一张单次曝光的高分辨率谱图像，不同的材料用不同的颜色表示。ADVACAM推出了一系列为复合材料测试而优化的光子计数X射线探测器，探测器对低能段探测也具有优秀的灵敏度和探测效率，同时有很高的动态范围，十分有利于轻质材料，如碳纤维、环氧树脂等的检测。即使是具有挑战性的缺陷，如深层层压褶皱、弱连接、分层、孔隙率、异物和软材料中的微小裂纹，也可以在55μm或更高的空间分辨率下检测到。搭载Advacam探测器的机器人系统进一步扩展了光子计数X射线探测器的功能。轻质材料及复合材料机器人系统正在检查滑翔机副翼，右侧机械臂上装有Advacam探测器。该机器人系统可以从不同角度进行X光检查，以更好地定位缺陷。高帧率的光子计数X射线探测器还可以对样品进行实时检测，可用于质量控制实验室或在生产线上使用。最后得到的X射线图像揭示了副翼内部复合结构有空洞和杂质。X射线光子计数探测器不仅适用于检测轻质材料，基于高灵敏度的 CdTe 传感器（1mm厚）的探测器也可用于焊缝检测。根据ISO 17636-2标准，可以达到Class B的的图像质量。焊缝检查成像质量在带有像质计IQI和DIQI的BAM-5和BAM-25钢焊接试样上，测试WidePIX 1x5 MPX3 光子计数X射线探测器延迟积分TDI模式下的成像质量。TDI模式是探测器操作的其中一种模式，设备会生成沿探测器运动的物体的连续X射线图像。BAM-5 8.3mm钢焊缝BAM-25 6mm 钢焊缝BAM-5样品背面D13线对的信号BAM-5样品背面10FEEN IQI线对用DIQI测量空间分辨率。分辨出的最窄线对是D13（线宽50μm，间距50μm）。探测器对比度用10FEEN像质计测量。置于8.3mm钢制样品背面包括16号线（0.1 mm厚）在内的线都被分辨出来。8.3mm厚BAM-5样品和6 mm厚BAM-25钢的信噪比测量值SNRm分别为148和190。信噪比受限于X射线管功率。探测器具有24位计数器深度，信噪比可高达4000。归一化信噪比SNRn（根据探测器分辨率归一化），6mm厚钢为336，8.3mm厚钢为262。总结 光子计数探测器能够提供更高的灵敏度、空间分辨率、对比度和信噪比；能量范围从 5 keV 到数百 keV 甚至 MeV，可检测非常轻的复合材料到厚的焊接部件。此外，直接转换光子计数型X射线探测器能够进行X射线能量甄别，即，仅高于一定能量的光子会被记录，此方法能够抑制较低能量的散射辐射并提高图像对比度。通过这种X射线新成像技术，可以检测到过去无法通过传统X射线进行无损检测的样品，无损检测设备制造厂家可以将系统中的探测器升级为光子计数X射线探测器，以扩展系统类型和客户群。Advacam S.R.O.源至捷克技术大学实验及应用物理研究所,致力在多学科交叉业务领域提供硅传感器制造、微电子封装、辐射成像相机和X射线成像解决方案。Advacam最核心的技术特点是其X射线探制器（应用Timepix芯片）没有拼接缝隙（No Gap），因此在无损检测、生物医学、地质采矿、艺术及中子成像方面有极其突出的表现。Advacam同NASA（美国航空航天局）及ESA（欧洲航空航天局）保持很好的项目合作关系， 其产品及方案也应用于航空航天领域。北京众星联恒科技有限公司作为捷克Advacam公司在中国区的总代理，也在积极探索和推广光子计数X射线探测技术在中国市场的应用，目前已有众多客户将Minipix、Advapix和Widepix成功应用于空间辐射探测、X射线小角散射、X射线光谱学、X射线应力分析和X射线能谱成像等领域。同时我们也有数台MiniPIX样机，及WidePIX 1*5 MX3 CdTe的样机，我们也非常期待对我们探测器感兴趣或基于探测器应用有新的idea的老师联系我们，我们可以一起尝试做更多的事情。

美国伦斯勒理工学院的研究人员开发出了一种基于纳米技术的新型量子点红外探测器(QDIP)。这种以金为主要材料的新型元件可大幅提高现有红外设备的成像素质，将为下一代高清卫星相机和夜视设备的研发提供可能。相关论文发表在《纳米快报》杂志网站上。 　　由美国空军科研局资助的这一项目，通过在传统量子点红外探测器元件上增加金纳米薄膜和小孔结构的方式，可将现有量子点红外探测器的灵敏度提高两倍。 　　研究人员称，红外探测器的灵敏程度从根本上取决于在去除干扰后所能接收到的光线的多寡。目前大多数红外探测器都以碲镉汞技术(MCT)为基础。该元件对红外辐射极为敏感，可获得较强信号，但同时也面临着无法长时间使用的缺憾(信号强度会逐步降低)。 　　在这项新研究中，研究人员使用了一个厚度为50纳米、具有延展性的金薄膜，在其上设置了大量直径1.6微米、深1微米的小孔，并在孔内填充了具有独特光学性能的半导体材料以形成量子点。纳米尺度上的金薄膜可将光线“挤进”小孔并聚焦到嵌入的量子点上。这种结构强化了探测器捕获光线的能力，同时也提高了量子点的光电转换效率。实验结果表明，在不增加重量和干扰的情况下，通过该设备所获得的信号强度比传统量子点红外探测器增强了两倍。下一步，他们计划通过扩大表面小孔直径和改良量子点透镜方法对设备加以改进。研究人员预计，该设备在灵敏度上至少还有20倍的提升空间。 　　负责此项研究的伦斯勒理工学院物理学教授林善瑜(音译)称，这一实验为新型量子点红外光电探测器的发展树立了一个新路标。这是近10年来首次在不增加干扰信号的情况下成功使红外探测器的灵敏度得到提升，极有可能推动红外探测技术进入新的发展阶段。 　　红外传感及探测设备在卫星遥感、气象及环境监测、医学成像以及夜视仪器研发上均有着广泛的应用价值。林善瑜在2008年时曾开发出一种纳米涂层，将其覆盖在太阳能电池板上，可使后者的阳光吸收率提高到96%以上。

一般而言，分析仪器的发展可分为两种：一是分析仪器本身、内部的发展，二是分析仪器相关器件的发展所带动的分析仪器的发展。光探测器是光谱类科学仪器的“眼睛”，是搜集信号、进行信号转换的核心、关键部件，其发展对分析仪器产业的发展起着巨大的推动作用。 　　光电倍增管是大家熟知的光探测器，广泛应用于各类光谱仪器中。但近年来，一些国际仪器生产厂家已开始将ICP、光电直读光谱仪等仪器中采用的光电倍增管逐渐换成了半导体光探测器，其中使用较多的是CCD(Charge-Coupled Devices，电荷耦合检测器)。那么，半导体光探测器能否取代光电倍增管？半导体光探测器技术发展现状与趋势如何？日本滨松公司未来将如何发展半导体光探测技术？该公司是如何看待中国仪器行业？未来将如何拓展中国市场？本文将逐一为大家解答。 　　日本滨松光子学株式会社(以下简称“日本滨松公司”)是光子技术和光电探测器的世界知名企业，其主要产品有光电倍增管、光电二极管、图像传感器、各种光源、大功率半导体激光器等光器件。该公司固体事业部主要研发、生产各种半导体光电器件及其模块化产品。 　　2010年9月1日，日本滨松公司固体事业部在北京举办“2010 HAMAMATSU光半导体技术交流会之专家交流会”。日本滨松公司专务取缔役兼固体事业部部长山本晃永先生亲临现场。以此为契机，仪器信息网编辑在专家交流会现场就半导体光探测器的技术发展现状和趋势、日本滨松固体事业部未来的发展方向采访了山本晃永先生。 日本滨松公司专务取缔役兼固体事业部部长山本晃永先生 半导体光探测器的发展现状与趋势 　　“Photon is Our Business”，日本滨松公司最初是靠光电倍增管起家，主要用该产品来探测肉眼看不见的光子。该公司致力于了解光子以及光子与其他物质的相互作用，将相关技术转化为产品并使其产业化。经过几十年的发展，日本滨松公司不仅不断改良真空管探测器，同时也大力发展了半导体光探测器。 　　该公司固体事业部多年来一直从事半导体光探测器相关技术的研究。近几年，固体事业部非常重视图像传感器的研发，并在半导体光探测器的集成化、模块化上取得了较大进展。山本晃永先生详细地阐述了滨松的研究成果以及他对半导体光探测器技术发展的看法。 日本滨松公司固体事业部的主要产品 　　(1)在光探测器领域，从真空管技术到半导体技术是大势所趋 　　山本晃永先生认为，从真空管技术到半导体技术是大势所趋，日本滨松公司不能逆流而上。光电倍增管虽然是高性能的探测器，公司也对真空管探测器进行了一些改进，如增强其量子效率、使其小型化等，但仍残留一些难以解决的问题，比如操作上玻璃材料的繁难性、高电压的必须性等，这些难题限制了光电倍增管的使用。 　　但光电倍增管拥有光子探测灵敏度高的固有优势，半导体光探测器不可能完全取而代之，但后者的市场主导优势将日益明显。目前在日本滨松内部，固体事业部的销售额已超过了生产光电倍增管的电子管事业部，占据滨松所有产品总销售额的半壁江山。 　　日本滨松公司在继续研究真空管技术和半导体技术的基础上，将专心致力于相关模块和系统的开发。总之，所有与光子相关的技术，日本滨松公司都将采取积极的态度。 　　(2)CCD已发展得比较成熟 　　随着技术的进步，用于分光光度计、近红外光谱、拉曼光谱等光谱仪器的CCD已发展得比较成熟，其性能已有了很大改进。 　　日本滨松公司研发出的背面入射(Back-illuminated)CCD图像传感器，能减少CCD的Etaloning Effect（注：Etaloning Effect是存在于非常薄的CCD芯片中，入射光线因为在芯片前、后表面发生光反射而产生干涉，导致CCD分光灵敏度曲线在900nm附近凹凸不平的现象），从而能显著提高图像传感器的灵敏度、量子效率、响应时间以及信噪比。通过拼接技术，滨松将许多CCD加以拼接，使其面积增大。目前最大的CCD平板图像传感器大小可达2mX2m，量子效率非常高，同时对近红外长波的探测能力也大幅提高，可用于天文和宇宙探测领域。目前，全世界大部分的天文望远镜、人造卫星都在使用日本滨松的半导体光探测器产品。 各类CCD图像传感器 　　(3)CMOS发展前景看好，日本滨松公司力求让其取代CCD 　　山本晃永先生说到，CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器与CCD在生产工艺上有许多相似之处，因其在集成化、生产成本、响应时间、使用方便、耗电量等方面的优势，发展尤为迅速，甚至可能比CCD图像传感器发展更为快速。目前，CMOS和CCD各有所长，CMOS还不能完全取代CCD，但是未来在很多领域CCD会被CMOS所取代。 　　日本滨松非常看好CMOS的发展前景，在CMOS上倾注很大精力，不断加大该产品的研发力度，力求让CMOS取代CCD。公司针对CMOS的缺点进行了一些改进，引入背面入射技术(back-illuminated)的同时，采用碘化铯作为转化晶体，提高探测器的灵敏度与效率。经过改造之后，APS(Active Pixel Sensor，有源像素传感器，是CMOS的一种)的性能几乎可以做得与CCD一样好。 　　近期日本滨松推出了多款大小不一、功能各异的CMOS新产品。例如用于牙科检查的CMOS，形状小巧、适合人的嘴型，且可以一次成像 而用于乳腺癌检测的CMOS平板检测器具有面积大、探测速度快、解析度高、低剂量的特点，能避免X射线对人体的伤害。 日本滨松生产的各类CMOS图像传感器 　　(4)MOEMS、MEMS促成了半导体光探测器的模块化、小型化 　　MOEMS(Micro-Opto-Electro-Mechanical System，微光机电系统)是在MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统)基础上发展起来的新技术，该系统把微光学元件、微电子和微机械装置有机地集成在一起，能够充分发挥三者的综合性能，可实现光学元件间的自对准，可用于光学器件和装置的制造。 　　日本滨松公司不仅生产各类半导体探测器，还生产与各种探测器相关的信号处理电路、数据采集卡以及模块产品。固体事业部充分利用MOEMS与MEMS技术，在光电二极管、雪崩二极管、图像传感器等产品的基础上，生产出了光电二极管电路及模块、硅雪崩二极管模块、图像传感器模块等模块化产品。以CMOS图像传感器为例，采用MOEMS技术可将图像传感器、光栅、后续电路加工在同一块硅片上，这样实现了元器件的集成化、小型化，同时也方便用户的使用。 小型分光计系列产品 拇指大小的超小型分光计 　　近期研发出来的超小型分光计，采用了MEMS的纳米压印(NanoTechnology)技术，只有拇指大小，敏感波长范围为340-750nm。从产品到产品模块、系统，这将是日本滨松公司固体事业部以后所要坚持的方向。 　　随着时代的发展，人们对于小型、可携带的东西的需求将增加。在日本，一些测试化妆品美白效果的小仪器很流行，类似的小型仪器在美国也很受欢迎。分析仪器、医疗仪器要走进寻常百姓家，就必然要求其小型化，而仪器小型化必然要求其器件也小型化。半导体技术就是满足这种需求的有效手段，其目前发展的重要主题是MEMS，而NanoTechnology(纳米技术)应该是关键。 　　从真空管技术到半导体技术、MEMS、纳米技术，这是滨松技术的变迁。未来几年，日本滨松公司仍要彻底地钻研这些技术，这是不变的方针。而唯一要改变的是各项技术的开发速度。技术开发得越早，日本滨松的产品在技术上就越有竞争力，这是很重要的。 与会滨松高层 　　(日本滨松光子学株式会社专务取缔役兼固体事业部部长山本晃永先生(右二)、北京滨松光子技术股份有限公司总经理席与霖先生(左二)、北京滨松光子股份有限公司总经理助理兼第一事业部部长段鸿滨先生(左一)、日本滨松光子学株式会固体事业部伊藤伸治先生(右一)) 与会专家 　　(从左到右依次为：中国仪器仪表行业协会朱明凯副理事长、国家地质测试实验中心杨啸涛研究员、中科科仪原董事长金鹤鸣先生、中国分析测试协会汪正范研究员) 滨松将加大半导体光探测器在中国市场的推广力度 　　采访中，山本晃永先生表达了对中国科学仪器行业发展情况的看法：中国科学仪器行业正蓬勃发展，虽然目前日本滨松的半导体光探测器在中国的用户并不是很多，但公司更重视中国市场，将把最新的产品和技术推广到中国来。 　　(1)中国科学仪器行业必将崛起，其市场容量巨大 　　回顾过往，手机、计算机在中国发展都很快，下一步中国的仪器仪表行业一定也会快速发展。医疗仪器、分析仪器都与人们的健康密切相关。中国人口是日本的十倍，这意味着如果中国仪器行业发展起来，那么其市场容量可能会是日本的10倍。而跟科学仪器发展密切相关的就是仪器探测器件的发展。 　　满足用户的需求始终是日本滨松公司努力的方向。作为仪器元器件的供应商，日本滨松公司一定要领先市场一步，这样才能提供市场需要的产品。虽然中国科学仪器行业可能还需要十年、二十年才能发展起来，但日本滨松对此非常有耐心，会非常关注中国市场需要什么样的技术和产品，也会不断地研发新产品去满足这些需求。 　　(2)加大半导体光探测器在中国分析仪器行业的推广力度 　　山本晃永先生介绍了日本滨松中国用户的一些情况。滨松固体事业部生产的各式各样的半导体探测器有50%销往国外，其余在日本国内销售。许多国际知名的仪器生产商都在使用滨松的探测器。但在中国，虽有仪器企业也使用滨松的半导体探测器，但是数量较少。 　　日本滨松公司固体事业部的约50%的产品都应用于医疗仪器，这个领域仍然是其非常重视的领域。同时，因为医疗仪器与分析仪器存在许多相似之处，所以日本滨松公司打算将在医疗仪器领域的优势发展到分析仪器等领域。 　　同时，该公司将加强与中国用户的沟通与交流，加大市场推广力度，把固体事业部的半导体光电器件的新技术、新产品介绍给中国用户，同时也要告诉他们如何选择、使用和应用滨松的产品，希望能为中国仪器行业的发展尽一份力。 采访现场 　后记 　　在采访过程中，笔者仔细聆听山本晃永先生对仪器企业发展的一些看法，他提到：“小规模的科学仪器企业若没有特色，就没有发展潜力与市场竞争力。岛津、贝克曼等国际知名企业都是由有特色的小企业发展起来的。企业规模小并不可怕，可怕的是小企业没有自己的特色、随波逐流，只知模仿重复，不知发明创造，最终导致价格竞争，互相残杀。日本滨松公司虽然是一家小公司，但一直很努力地研发光子相关的各种技术与产品，希望能够通过公司的产品来促进科学仪器行业的发展。” 　　也许，日本滨松公司能够发展壮大就在于它五十余年来一直坚持自己的特色，将主要精力集中在自己优势的光探测器领域，因而能在仪器光电元器件市场上占有其他公司不可替代的一席之地。然而相比之下，目前国内科学仪器企业总体“大不够大，小不够专”，仪器元器件企业发展更是缓慢，这些客观因素决定中国仪器行业短时间内或不会有较大改观。同时， 中国仪器生产企业不仅只盯着整机仪器的研发，也不能忽视仪器元器件的开发。 　　采访编辑：杨丹丹 　　附录1：山本晃永先生简介 　　1970年3月毕业于静冈大学研究生院工学部应用化学专业 　　1970年3月入职日本滨松公司 　　1985年1月就任日本滨松公司固体事业部部长至今 　　1985年12月就任取缔役 　　1987年12月就任常务取缔役 　　2004年12月就任专务取缔役 　　2005年7月就任代表取缔役专务取缔役 　　附录2：日本滨松光子学株式会社 　　http://www.hamamatsu.com/ 　　附录3：北京滨松光子技术股份有限公司 　　http://www.bhphoton.com/

【背景介绍】短波红外（SWIR，1000 ~ 3000 nm）光由于受空气中颗粒物的散射较弱，使其在恶劣天气或生物组织中也能提供长距离的有效探测，并在成像场景中提供更多物质化学信息，同时对人眼更安全。这使得短波红外在光通信、远程遥感、自动化视觉技术、生物成像、环境监测和光谱技术等领域中发挥着关键作用。然而，目前市场上的短波红外传感器采用异质外延技术，但由于其制备方法繁琐，不适合大规模、低成本的3D成像应用。随着胶体量子点（QDs）的出现，其尺寸可调的光学特性使其成为探测短波红外光的理想选择。虽然近年来短波红外光电二极管结构探测器的响应时间有所缩短，但至今仍未达到纳秒级水平，这成为将胶体量子点应用于短波红外光电探测领域的主要挑战之一。【成果简介】据麦姆斯咨询报道，近日，比利时根特大学的邓玉豪（第一作者兼通讯作者）等人取得了一项突破性进展，成功利用超薄的胶体量子点吸收层，实现了基于胶体量子点的短波红外光电二极管（QDPDs）的纳秒级响应。这一研究成果创造了短波红外领域全球最快响应的胶体量子点光电探测器，相关内容以“Short-Wave Infrared Colloidal QDs Photodetector with Nanosecond Response Times Enabled by Ultrathin Absorber Layers”为题在国际著名期刊《Advanced Materials》上发表，为胶体量子点在超快短波红外探测技术的进一步研究和应用提供了重要参考。【核心创新】1. 作者通过优化超薄结构器件的制备方法，克服了传统方法的不足，得到1600整流比，42%外量子点效率，98%内量子效率的光电二极管器件。2. 作者通过结构优化，实现了超薄结构下量子点层2.5倍的吸收增强，使得超薄层仍然可以获得较高EQE。3. 作者通过厚度与面积优化，平衡了载流子迁移与RC延迟时间，最终得到创纪录的4 ns响应时间。【研究概览】图1 胶体量子点探测器响应时间的数值模拟。计算表明，漂移时间将限制厚度较大的器件的响应，而RC延迟效应将决定较薄器件的响应时间，通过降低器件面积，可以实现纳秒级的响应时间。图2 胶体量子点光电探测器制备流程优化。作者通过浓度梯度的交换法，提高了PN结的质量，得到了整流比1600的器件。图3 胶体量子点光电探测器结构示意图和性能。该器件的胶体量子点层优化为100 nm，器件的EQE达到了42%，利用结构形成法布里-珀罗腔，在超薄结构的基础上将量子点层的吸收增强了2.5倍，器件的内量子效率可以高达98%。图4 不同大小、不同厚度的胶体量子点光电探测器的响应时间。通过降低器件面积、优化器件厚度可以使得器件具有更快的响应，最终实现了4 ns响应时间的世界纪录，也是首次将胶体量子点短波红外探测速度逼近到了纳秒级别。图5 进一步提快胶体量子点光电探测器的响应分析。通过提高胶体量子点层的迁移率，该器件结构还可以继续优化，完全可以实现亚纳秒级的响应时间，这为接下来胶体量子点超快探测器的研究阐明了研究方向。【成果总结】这项研究工作实现了一项重大的突破，首次设计出超薄吸收层的胶体量子点光电探测器，成功在短波红外波段实现了纳秒级的响应时间。通过采用浓度梯度的配体交换方法，制备了具有高质量PN结的薄膜结构器件。该光电探测器在1330 nm处获得了42%的外部量子效率，这得益于在胶体量子点光电二极管内形成的法布里-珀罗腔和高效的光生电荷提取。此外，通过进一步提高载流子迁移率，该器件可以实现亚纳秒级的响应时间。这项研究的成功突破将对短波红外超快光电探测技术的未来发展产生重大的影响。论文链接：https://doi.org/10 .1002/adma.202402002【作者简介】Yu-Hao Deng（邓玉豪）博士，比利时根特大学BOF博士后研究员，主要研究方向为胶体量子点材料与光电器件，以及钙钛矿材料表征与光电器件。邓博士之前已在Nature、Advanced Materials、Matter、Nano Letters、Physical Review Letters、Advanced Science等国际期刊上发表论文数篇。

近日，中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站自主研制的近红外单光子探测器成功实现了卫星激光测距。长春人卫站激光测距研究室的研究人员利用先进的数值仿真技术、器件工艺以及外围控制驱动技术，自主完成了近红外单光子探测器的结构设计、电路优化以及器件制备。近红外单光子探测器经中科院上海天文台测试并应用于1064nm近红外激光测距系统，成功获取地球同步轨道卫星北斗G1的观测数据，单次测距点数高达31446点，测距精度为1.42cm，与常规的532nm激光测距相比，系统回波探测率提高3-4倍；器件性能与美国PGI研制的同样采用SAGCM设计方案的近红外单光子探测器水平相当。 长春人卫站研制出国内首款近红外激光测距单光子探测器，不仅打破了国外技术封锁及市场垄断，推动我国先进光电探测仪器向小型化、高可靠、高稳定方向持续发展，更为我国自主建设空间碎片测距系统、开展激光测月等国家重大工程任务提供可靠有效的工具和手段。

中国科学院深圳先进技术研究院先进材料科学与工程研究所材料界面研究中心副研究员李佳团队，中科院院士、西北工业大学教授黄维团队，以及深圳先进院生物医学与健康工程研究所生物医学成像研究中心合作，首次将具有内部信号增益效应的异质结光电晶体管用于X射线直接探测器，实现了超灵敏、超低辐射剂量、超高成像分辨的X射线直接探测。相关研究成果以Ultrathin and Ultrasensitive Direct X-ray Detector Based on Heterojunction Phototransistors为题，发表在Advanced Materials上。 　　当前，X射线直接探测器多采用反向偏置二极管结构(图1a)。这类器件普遍缺乏内部信号增益效应或增益较低，这意味着没有足够的信号补偿方案来补充载流子复合过程中湮灭的电子-空穴对。因此，这类设备的光-电转化效率较低，且需要使用高质量和高度均匀的X射线光电导材料(Photoconductor)以保证有效的电子-空穴的产生和传输，这对探测器性能的进一步提升设定了难以突破的上限，也增加了材料、器件制备的复杂性和成本。 　　科研团队在前期研究的基础上(Advanced Materials, 31,1900763,2019)，提出异质结X射线光电晶体管(Heterojunction X-ray Phototransistor)这一新型器件概念，首次将具有内部信号增益效应的异质结光电晶体管引入X射线直接探测。光电晶体管是三电极型光电探测器，其沟道载流子密度可通过调控栅压和入射光子进行有效调制，从而结合了晶体管和光电导的综合增益效应，如图1b所示。将这种高增益机制引入X射线探测器可以对光生电流进行放大，并使外量子效率远超过100%，进而实现超灵敏的X射线直接探测。本工作中，研究团队设计了由钙钛矿光电导材料与有机半导体沟道材料组成的异质结光电晶体管，实现了高效的X射线吸收，获得了快速的载流子再注入与循环，导致高效的载流子产生、输运与巨大的信号增益效应，使X射线直接探测灵敏度达到109μCGyair-1cm-2(图2c)，最低可检测剂量率低至1 nGyair s-1。同时，探测器具有较高的成像分辨率(图2e)——X射线成像调制传递函数(MTF)在20%值下显示每毫米11.2线对(lp mm-1)，成像分辨率高于目前基于CsI:Tl的X射线探测器。 　　高增益异质结X射线光电晶体管为高性能X射线直接探测与成像开辟了新机遇，并体现出超灵敏、超低检测限、高成像分辨率、轻量、柔性(图2d)、低成本等优点，在医学影像、工业检测、安检安防、科学设备等领域具有广阔的应用前景。该成果将激发科研人员开发各种高增益器件以实现直接探测不同类型高能辐射的研究动力。 　　研究工作得到国家自然科学基金、深圳市科技计划等的资助。图1.a、传统X射线探测器中，间接探测(左)使用闪烁体材料与光电二极管可见光探测器相互集成，X射线通过闪烁体材料转换为可见光，可见光由光电二极管探测器探测；直接探测(右)使用如非晶硒等半导体材料，半导体吸收X射线后直接产生电子-孔穴对，在半导体材料上施加高电场，分离和收集电子-空穴对；b、X射线光电晶体管结构，异质结中电子-空穴对产生(1)、分离(2)、电子捕获/空穴注入(3)和空穴再循环(4)产生高增益效应的过程图示图2.a、X射线光电晶体管器件结构；b、X射线探测的时间响应；c、X射线辐照下探测器灵敏度随栅压的变化关系；d、柔性X射线光电晶体管器件；e、金属光栅的光学显微照片(上)与X射线成像图(下)，scale-bar为200微米；f、X射线光电晶体管的MTF曲线

p 　　近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员李广海课题组在高性能紫外光探测薄膜器件方面中取得进展，相关结果发表在ACS Applied Materials & amp Interfaces上，并申请国家发明专利2件。 /p p 　　紫外探测器在空间天文望远镜、军事导弹预警、非视距保密光通信、海上破雾引航、高压电晕监测、野外火灾遥感及生化检测等方面具有广泛的应用前景。在实际应用时，由于自然环境的不确定性，待测目标的紫外光强度通常不高，环境中存在着大量对紫外光具有强吸收和散射能力的气体分子或尘埃，导致最终到达探测器可检测的紫外光信号非常弱。因此，提高紫外探测器对弱光的探测能力至关重要。探测率(detectivity)是衡量探测器件对弱光检测能力的重要指标，探测率由响应度(responsivity)和暗电流密度共同决定。响应度越高，暗电流密度越低，器件的探测率越高。高探测率更有利于弱紫外光的探测。然而，对于大部分半导体光导探测器而言，响应度高的器件常伴随着较高的暗电流 提高材料质量，减少缺陷可降低器件暗电流，但响应度随之减小。因此，器件探测率难以提升，限制了光导探测器在弱紫外光检测方面的应用。 /p p 　　针对上述问题，李广海课题组的副研究员潘书生等在前期透明高阻薄膜的研究基础上，提出以中间带半导体为核心材料构筑紫外探测器的新方法。中间带具有高态密度，能够有效俘陷本征缺陷在导带上产生的电子，从而降低器件暗电流 另一方面，光照时，中间带上储存的载流子能补充到价带上，并被光激发至导带贡献光电流，因此中间带半导体材料紫外探测器能够实现在降低暗电流的同时，保持器件较高的响应度。采用磁控反应溅射技术，沉积Bi掺杂SnO2薄膜，并通过优化实验设计和参数，构筑出了基于中间带半导体薄膜的光导型紫外探测器件。性能测试结果显示，器件暗电流降低至0.25nA，280nm波长紫外光响应度达到60A/W，外量子效率为2.9× 104%，探测率达到6.1× 1015Jones，紫外—可见光抑制比达103量级。器件的动态范围高达195dB，这说明Bi掺杂SnO2薄膜光导探测器可检测极其微弱的紫外光(等效每秒300紫外光子)，对较强的紫外光也可探测。 /p p 　　该研究工作得到了国家自然科学基金与合肥研究院固体所所长基金的支持。 /p p style=" text-align: center " img width=" 450" height=" 349" title=" W020170907540355593507.jpg" style=" width: 450px height: 349px " src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201709/noimg/1086db54-ce3a-4a29-b90b-ed2b9dbbf2f4.jpg" border=" 0" vspace=" 0" hspace=" 0" / /p p 　　Bi掺杂SnO2薄膜光导探测器件性能：(a) 响应度，(b) 外量子效率，(c) 探测率和 (d) 噪声等效功率。 /p p /p p /p

中国科学院深圳先进技术研究院先进材料科学与工程研究所材料界面研究中心副研究员李佳团队，中科院院士、西北工业大学教授黄维团队，以及深圳先进院生物医学与健康工程研究所生物医学成像研究中心合作，首次将具有内部信号增益效应的异质结光电晶体管用于X射线直接探测器，实现了超灵敏、超低辐射剂量、超高成像分辨的X射线直接探测。相关研究成果以Ultrathin and Ultrasensitive Direct X-ray Detector Based on Heterojunction Phototransistors为题，发表在Advanced Materials上。当前，X射线直接探测器多采用反向偏置二极管结构（图1a）。这类器件普遍缺乏内部信号增益效应或增益较低，这意味着没有足够的信号补偿方案来补充载流子复合过程中湮灭的电子-空穴对。因此，这类设备的光-电转化效率较低，且需要使用高质量和高度均匀的X射线光电导材料（Photoconductor）以保证有效的电子-空穴的产生和传输，这对探测器性能的进一步提升设定了难以突破的上限，也增加了材料、器件制备的复杂性和成本。科研团队在前期研究的基础上（Advanced Materials, 31,1900763,2019），提出异质结X射线光电晶体管（Heterojunction X-ray Phototransistor）这一新型器件概念，首次将具有内部信号增益效应的异质结光电晶体管引入X射线直接探测。光电晶体管是三电极型光电探测器，其沟道载流子密度可通过调控栅压和入射光子进行有效调制，从而结合了晶体管和光电导的综合增益效应，如图1b所示。将这种高增益机制引入X射线探测器可以对光生电流进行放大，并使外量子效率远超过100%，进而实现超灵敏的X射线直接探测。本工作中，研究团队设计了由钙钛矿光电导材料与有机半导体沟道材料组成的异质结光电晶体管，实现了高效的X射线吸收，获得了快速的载流子再注入与循环，导致高效的载流子产生、输运与巨大的信号增益效应，使X射线直接探测灵敏度达到109μCGyair-1cm-2（图2c），最低可检测剂量率低至1 nGyair s-1。同时，探测器具有较高的成像分辨率（图2e）——X射线成像调制传递函数（MTF）在20%值下显示每毫米11.2线对（lp mm-1），成像分辨率高于目前基于CsI:Tl的X射线探测器。高增益异质结X射线光电晶体管为高性能X射线直接探测与成像开辟了新机遇，并体现出超灵敏、超低检测限、高成像分辨率、轻量、柔性（图2d）、低成本等优点，在医学影像、工业检测、安检安防、科学设备等领域具有广阔的应用前景。该成果将激发科研人员开发各种高增益器件以实现直接探测不同类型高能辐射的研究动力。研究工作得到国家自然科学基金、深圳市科技计划等的资助。

锑化物超晶格红外探测器具有均匀性好、暗电流低和量子效率较高等优点，其探测波长灵活可调，可以覆盖短波至甚长波整个红外谱段，是实现高均匀大面阵、长波、甚长波及双色红外探测器的优选技术，得到了国内外相关研究机构的关注和重视，近年来取得了突破性的进展。中国科学院上海技术物理研究所科研团队介绍了InAs/GaSb超晶格红外探测器的技术特点和发展历程，并对后续发展趋势作了初步的展望和探讨。相关研究内容以“锑化物超晶格红外探测器研究进展与发展趋势”为题发表在《红外与激光工程》期刊上。InAs/GaSb超晶格红外探测器的技术原理和特点超晶格是由两种晶格匹配良好的半导体材料交替重复生长而形成的周期性结构，每一层的厚度通常在纳米尺度。根据组成材料相互间能带排列特点，超晶格一般分为I类超晶格和II类超晶格。在III-V族化合物半导体中，InAs、GaSb、AlSb之间可组成不同类别的能带排列，GaSb/AlSb组成I类能带排列，InAs/GaSb、InAs/AlSb组成II类能带排列。特别的，InAs导带底能量比GaSb价带顶能量低约150 meV，当InAs和GaSb结合时，两者形成“破隙型”II类能带排列，电子被限制在InAs层中，而空穴被限制在GaSb层中。当两者组成超晶格时，相邻InAs和GaSb层中电子和空穴会由于相互作用分别形成电子微带和空穴微带，如图1所示。图1 InAs/GaSb超晶格能带简图电子微带与空穴微带的能量差即为超晶格的有效禁带宽度，随着InAs层和GaSb层厚度的改变而改变。对InAs/GaSb II类超晶格的能带结构进行计算和模拟，可以获得超晶格材料光电特性等信息。图2是InAs/GaSb超晶格的截止波长随InAs厚度变化关系，通过改变InAs层的厚度，可以调节超晶格的截止波长，实现短波红外、中波红外和长波红外等不同谱段的红外探测。图2 InAs/GaSb II类超晶格截止波长随InAs厚度变化关系（GaSb厚度为2.1 nm）总体来说，InAs/GaSb超晶格红外探测技术具有如下特点：1）改变周期厚度可以调节InAs/GaSb超晶格的禁带宽带（响应截止波长），因此，可以通过结构设计来灵活调节超晶格探测器的光电响应特性，响应波段可以覆盖短波至甚长波的整个红外谱段，并实现多色探测。2）InAs/GaSb超晶格结构可以吸收垂直入射光。理论计算表明，InAs/GaSb超晶格可达到与HgCdTe材料相当的吸收系数，因此具有较高的量子效率。3）在InAs/GaSb超晶格结构中，由于轻、重空穴带的分离，抑制了Auger复合速率。在理论上，InAs/GaSb超晶格比HgCdTe具有更高的探测率。4）相比HgCdTe材料，InAs/GaSb超晶格有更大的有效质量，有助于抑制长波探测器的隧穿暗电流。5）现代材料生长技术，如分子束外延技术，可以在单原子层精度上控制材料的生长，十分有利于材料性能的可控性、稳定性和可重复性。6）InAs/GaSb超晶格是III-V族化合物半导体材料，材料生长与器件工艺较为成熟，有利于实现大规格、高均匀性焦平面器件。锑化物超晶格焦平面探测器发展历程技术孕育阶段（20世纪80年代—21世纪初）该阶段主要是超晶格红外探测技术概念的提出、超晶格探测器性能的理论计算分析、超晶格材料外延生长和基本光电特性研究，初步证实了超晶格材料具有优良的红外探测性能。超晶格概念是20世纪70年代美国国际商用机器（IBM）公司的江琦、朱兆详等人提出的，指出电子在沿超晶格材料生长方向运动将受到超晶格周期势的影响，形成与自然界材料性能迥异的特性，分子束外延技术的发展又允许人们生长出高质量的超晶格材料。1977年，江琦、朱兆祥等人又提出了锑化物（InAs/GaSb）II类超晶格的概念。技术突破阶段（21世纪初—2010年）该阶段主要聚焦于突破高性能焦平面器件制备的关键技术。采用先进的异质结构抑制超晶格长波探测器的暗电流；研究超晶格材料的刻蚀和侧壁钝化技术，制备出超晶格面阵器件。长波探测是超晶格技术发展的一个重要方向，而降低暗电流是长波红外探测器研究工作的一个重要内容。对于锑化物超晶格探测器，利用其灵活的能带结构调节能力以及分子束外延低维材料生长能力，国外各研究机构设计、制备出了多种宽禁带势垒的探测器结构来抑制暗电流，如pπMn结构、CBIRD结构、nBn结构等。上述不同结构的基本思想是利用宽禁带势垒层与吸收区形成异质结，从而达到抑制产生-复合电流的效果。像元台面刻蚀与侧壁钝化是超晶格焦平面制备研究的一个重要内容。在台面侧壁，由于半导体周期性晶格结构的突然中断，会引起能带在表面的弯曲，从而使得接近表面的半导体层内形成电荷累积，甚至引起表面反型，这会导致在表面形成导电通道。另外，在刻蚀等工艺过程中产生的损伤、沾污或者氧化物等也可能引起表面势能的变化，在带隙内形成载流子陷阱，增加隧穿电流。随着超晶格探测器结构的不断优化，器件制备工艺水平的提升，基于高质量分子束外延超晶格材料，结合前期建立的红外焦平面技术（如读出电路、铟柱混成互联等），相关研究机构相继研制出了320×256、640×512、1024×1024等不同规格的超晶格红外焦平面。双色或多色探测器具备多谱段探测能力，可显著提升识别距离、抗红外干扰与抗伪装能力，是新一代焦平面探测器重点发展方向之一。锑化物超晶格材料能带灵活可调及宽谱响应的特性，使得其成为制备双色、多色探测领域的优选技术。各研究机构先后报道了基于该材料体系的中/中波、中/长波、长/长波双色焦平面探测器。技术发展阶段（2010年—至今）超晶格焦平面制备能力的提升在相关政府机构的支持下，西方技术先进国家突破了超晶格结构设计、材料生长、芯片制备工艺等关键技术，多家研发机构先后获得高性能的超晶格长波大面阵器件和双色焦平面器件。这些成果的取得也使人们充分认识到超晶格技术在红外探测领域的意义和价值。在此基础上，2011年，美国启动了“重要红外传感器技术加速计划（VISTA）”，这是一个由政府主导的，包括JPL、MIT林肯实验室、Sandia国家实验室、海军实验室等研究结构，以及休斯实验室、洛克-马丁公司、L3辛辛那提电子公司等行业领先公司的联合体，技术链涵盖了衬底制备、超晶格材料外延生长、焦平面芯片制备工艺、读出电路设计、超晶格组件集成等。在5年时间内，VISTA计划在高性能长波、中长波双色、超大面阵焦平面、高温工作（HOT）焦平面器件等多方面获得了进一步的发展。图3 （a）超晶格5 μm像元尺寸的SEM照片，（b）超晶格中波红外焦平面在160 K和170 K工作温度下成像示意图，（c）超晶格中长波双色野外成像图超晶格焦平面的工程应用随着制备能力和探测器性能的不断提高，超晶格红外焦平面开始了应用试验。2005年，德国IAF和AIM公司研制的中/中波超晶格双色焦平面探测器应用于欧洲大型运输机Airbus A400 M的多色红外预警系统（MIRAS）。图4 非洲某地区的可见（来源谷歌地图）和CTI红外成像图片（来自美国NASA国际空间站拍摄），Band 1为中波红外图像，Band 2为长波红外图像锑化物超晶格探测器的展望与思考碲镉汞是当前最成功的红外探测材料，其响应波段可以覆盖短波至甚长波的整个红外谱段，具有高的吸收系数和量子效率。由于碲镉汞非常低的肖特基-里德-霍尔（SRH）复合速率，少子寿命长，暗电流低，可以实现高性能红外探测器。碲镉汞的挑战主要来自于材料生长、芯片制备工艺等方面难度大及由此而带来的成品率和制备成本等问题。InAs/GaSb超晶格在谱段覆盖性方面和碲镉汞一样可以在短波至甚长波整个红外谱段内调节。与碲镉汞相比，超晶格红外探测器在量子效率和少子寿命还需要进一步的提升。但另一方面，InAs/GaSb超晶格属于III-V族化合物半导体，其物理化学性质较为稳定，超晶格焦平面在空间均匀性、时间稳定性等方面具有优势，同时，超晶格在材料、芯片的制备技术方面也具备更好的可控性。近年来，InAs/GaSb超晶格红外探测器取得了飞速的发展。在国外，超大规格、高像元密度、高温工作中波焦平面、高性能长波红外焦平面及双色焦平面等已先后获得突破，超晶格探测器也已初步获得航天应用。国内自“十二五”布局开展锑化物超晶格红外探测技术研究，相关研究单位先后在超晶格长波焦平面技术、双色焦平面技术等方面取得突破，初步形成了超晶格材料外延生长、芯片制备等技术能力和平台。后续，超晶格红外探测技术将在进一步提升材料基本性能（量子效率、少子寿命）的基础上，发展大规格和超大规格红外焦平面，高像元密度焦平面，甚长波和双色、多色探测器，高工作温度红外焦平面等。提升超晶格材料基本性能在少子寿命方面，在超晶格中，轻、重空穴带的分离抑制了俄歇复合过程，因此，理论上超晶格的少子寿命可以比碲镉汞更长。但目前InAs/GaSb超晶格的少子寿命一般小于100 ns，与碲镉汞相比有很大的差距，这主要是由于超晶格材料存在较强的SRH复合。InAs/InAsSb超晶格因表现出了更长的载流子寿命而颇受关注，但对于相同的探测波长，InAs/InAsSb超晶格的吸收系数较小；同时，InAs/InAsSb超晶格的空穴迁移率和扩散长度也较小。另一种新型超晶格材料——晶格匹配 InAs/GaAsSb超晶格展现出了优良的光电性能，计算表明，对于相同的探测波长，InAs/GaAsSb超晶格具有与InAs/GaSb超晶格相似的吸收系数。在量子效率方面，由于在超晶格中电子和空穴分别位于InAs和GaSb层中，吸收系数的大小与电子波函数和空穴波函数的交叠积分相关，从而导致器件的量子效率随波长增大而下降。目前中波红外超晶格探测器的量子效率可以实现70%~80%，长波器件的量子效率约30%~40%。提升长波、甚长波超晶格焦平面器件的量子效率是一个重要的研究课题。近年来，采用超表面微纳光子结构提升器件量子效率成为一个有效途径。与探测器集成的微纳光子结构主要包括一维、二维光子晶体、光栅、汇聚透镜、微腔结构等。近年来，美国麻省理工学院、空军实验室、JPL等在该方面开展研究并取得了较好的成果。超晶格红外焦平面发展趋势展望在焦平面器件发展趋势方面，将充分利用超晶格自身技术优势，发展高像元密度大面阵探测器、甚长波探测器、双色和多色探测器、高工作温度探测器及新型雪崩探测器等。在高像元密度大面阵器件发展方面，国际上超晶格外延材料尺寸已经达到6 in（1 in=2.54 cm），正向更大晶圆发展；像元尺寸已缩小至5 μm，最大规格达到6 K×4 K。国内已具备4~6 in超晶格外延材料生长和锑化物半导体探测器芯片制备能力，在小像元尺寸的台面芯片制备方面也具有技术基础。在甚长波红外探测器方面，关键在于降低器件暗电流，红外探测器的暗电流与少子寿命密切相关。因此，提升超晶格材料的少子寿命是一个重要的研究课题。晶格匹配InAs/GaAsSb新型超晶格材料有助于降低材料的深能级缺陷，从而提升少子寿命。降低器件暗电流的另一途径是运用InAs、GaSb、AlSb等材料间多样的能带排列方式，灵活设计出先进的抑制暗电流器件结构。最近，国外报道了14 μm超晶格甚长波焦平面探测器，采用先进势垒设计结构，大大地抑制了器件的暗电流。在实现高温工作超晶格红外探测器的研究方面，主要集中在设计和制备各种具有暗电流抑制功能的异质势垒结构器件。国外研究机构采用nBn等异质势垒结构，很好地将超晶格中波红外探测器的工作温度提升至150 K以上。在国外，高温工作的超晶格中波红外焦平面已经显示出了替代传统InSb器件的趋势。实现双色或多色探测是超晶格发展的一个重要发展方向。超晶格主要采用改变材料周期厚度来调节响应波长，采用分子束外延技术，只要改变InAs、GaSb单层的生长时间（改变层厚）就可以获得不同响应波长的超晶格材料，因此非常容易在一次外延生长过程中集成两个甚至多个响应不同波长的探测器材料结构。近期研究结果也表明，超晶格是实现双色或多色探测的优先技术。在新型探测器方面，锑化物超晶格雪崩探测器（APD）近年来也备受关注。美国伊利诺斯大学研究发现，InAs/GaSb超晶格的空穴/电子碰撞电离系数比可以近似为零，研制的电子雪崩型器件的增益为300时，过剩噪声因子小于1.2。该团队与美国雷神公司合作研制的电子雪崩型超晶格APD，在增益为500时，过剩噪声因子仍旧保持在接近于1的水平，表现出了极低的雪崩噪声特性。结论这项研究简要介绍了锑化物超晶格红外探测技术的技术特点、发展历程及其发展趋势。自InAs/GaSb超晶格红外探测器的设想被提出后，30多年来，通过结构设计优化和制备技术提升，国内外研究结构先后获得了一系列的大面阵、高温工作、长波、多色红外探测器，超晶格红外焦平面也表现出了高均匀性、高稳定性、高制备可控性等优势，并且在红外遥感成像等航空航天领域得到应用。今后，超晶格红外焦平面将向着更高的像素密度、更大的规格、更高的工作温度、甚长波、双色（多色）、雪崩器件等方向发展。

近日，合肥工业大学微电子学院先进半导体器件与光电集成实验室的王莉副教授和罗林保教授，成功研发出一种基于单p-型硅肖特基结的超灵敏近红外窄带光电探测器。相关成果以“Ultra-Sensitive Narrow-Band P-Si Schottky Photodetector with Good Wavelength Selectivity and Low Driving Voltage”为题于2023年12月31日作为封面文章在线发表在半导体器件领域的著名杂志IEEE Electron Device Letters上。图1. IEEE Electron Device Letters 2024年第一期封面窄带光电探测器由于仅对目标波长敏感，可以有效抑制背景噪声光的干扰，因此在机器视觉、特定波段成像、光学通信和生物材料识别等领域均具有重要的应用价值。但现有的加装滤波片、电荷收集变窄或热电子效应等窄带探测机制普遍存在着量子效率低的问题。为了提高窄带探测的灵敏度，研究人员通过将电荷陷阱引入有源层进行界面隧穿注入，或者利用场增强激子电离过程来实现器件内的光电倍增效应。但这些机制往往需要几十伏较高的电压才能激发启动，导致窄带探测器的性能易退化和工作能耗高。该研究团队在深入分析了上述问题的基础上，提出并实现了一种可在低驱动电压下工作的高灵敏窄带光电探测器。通过采用双层结构肖特基电极以及增大光生电子和空穴之间的渡越时间差，在保证高波长选择性的前提下实现了器件光电转化效率的大幅提高。该探测器仅在1050nm附近有探测峰，对紫外及可见光几乎无响应。在零偏压下器件的比探测率达∼4.14×1012Jones，线性动态范围约为128 dB。当工作偏压由0 V增加到- 3 V时，器件外部量子效率可以从96.2 %显著提升到6939%，同时探测峰半高宽保持在约74 nm不变。这一成果为实现可在低驱动电压下工作的超高灵敏窄带光电探测器提供了新思路，有望在光电子领域得到广泛应用。图2. （a）器件内光强分布模拟结果，零偏压下（b）器件在不同波长光照下的电流-电压曲线，（c）线性动态范围，（d）不同偏压下器件的外部量子效率随波长变化曲线。上述工作得到国家自然科学基金、安徽省重点研发计划、安徽省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项等项目的资助。论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/ d ocument/10312826

基于宽禁带半导体的固态紫外探测技术是继红外、可见光和激光探测技术之后发展起来的新型光电探测技术，是对传统紫外探测技术的创新发展，具有体积小、重量轻、耐高温、功耗低、量子效率高和易于集成等优点，对紫外信息资源的开发和利用起着重大推动作用，在国防技术、信息科技、能源技术、环境监测和公共卫生等领域具有极其广阔的应用前景，成为当前国际研发的热点和各主要国家之间竞争的焦点。我国迫切要求在宽禁带半导体紫外探测技术领域取得新的突破，以适应信息技术发展和国家安全的重大需要。本书是作者团队近几年来的最新研究成果的总结，是一本专门介绍宽禁带紫外光电探测器的科技专著。本书的出版可以对我国宽禁带半导体光电材料和紫外探测器的研发及相关高新技术的发展起到促进作用。本书从材料的基本物性和光电探测器工作原理入手，重点讨论宽禁带半导体紫外探测材料的制备、外延生长的缺陷抑制和掺杂技术、紫外探测器件与成像芯片的结构设计和制备工艺、紫外单光子探测与读出电路技术等；并深入探讨紫外探测器件的漏电机理、光生载流子的倍增和输运规律、能带调控方法、以及不同类型缺陷对器件性能的具体影响等，展望新型结构器件的发展和技术难点；同时，介绍紫外探测器产业化应用和发展，为工程领域提供参考，促进产业的发展。本书作者都是长年工作在宽禁带半导体材料与器件领域第一线、在国内外有影响的著名学者。本书主编南京大学陆海教授是国内紫外光电探测领域的代表性专家，曾研制出多种性能先进的紫外探测芯片；张荣教授多年来一直从事宽禁带半导体材料、器件和物理研究，成果卓著；参与本书编写的陈敦军、单崇新、叶建东教授和周幸叶研究员也均是在宽禁带半导体领域取得丰硕成果的年轻学者。本书所述内容多来自作者及其团队在该领域的长期系统性研究成果总结，并广泛地参照了国际主要相关研究成果和进展。作者团队：中国科学院郑有炓院士撰写推荐语时表示：“本书系统论述了宽禁带半导体紫外探测材料和器件的发展现状和趋势，对面临的关键科学技术问题进行了探讨，对未来发展进行了展望。目前国内尚没有一本专门针对宽禁带半导体紫外探测器的科研参考书，本书的出版填补了这一空白，将会对我国第三代半导体紫外探测技术的研发起到重要的推动作用。”目前市面上还没有专门讲述宽禁带半导体紫外探测器的科研参考书，该书的出版可以填补该领域的空白。本书可为从事宽禁带半导体紫外光电材料和器件研发、生产的科技工作者、企业工程技术人员和研究生提供一本有价值的科研参考书，也可供从事该领域科研和高技术产业管理的政府官员和企业家学习参考。详见本书目录：本书目录：第1章 半导体紫外光电探测器概述1.1 引言1.2 宽禁带半导体紫外光电探测器的技术优势1.3 紫外光电探测器产业发展现状1.4 本书的章节安排参考文献第2章 紫外光电探测器的基础知识2.1 半导体光电效应的基本原理2.2 紫外光电探测器的基本分类和工作原理2.2.1 P-N/P-I-N结型探测器2.2.2 肖特基势垒探测器2.2.3 光电导探测器2.2.4 雪崩光电二极管2.3 紫外光电探测器的主要性能指标2.3.1 光电探测器的性能参数2.3.2 雪崩光电二极管的性能参数参考文献第3章 氮化物半导体紫外光电探测器3.1 引言3.2 氮化物半导体材料的基本特性3.2.1 晶体结构3.2.2 能带结构3.2.3 极化效应3.3 高Al组分AlGaN材料的制备与P型掺杂3.3.1 高Al组分AlGaN材料的制备3.3.2 高Al组分AlGaN材料的P型掺杂3.4 GaN基光电探测器及焦平面阵列成像3.4.1 GaN基半导体的金属接触3.4.2 GaN基光电探测器3.4.3 焦平面阵列成像3.5 日盲紫外雪崩光电二极管的设计与制备3.5.1 P-I-N结GaN基APD3.5.2 SAM结构GaN基APD3.5.3 极化和能带工程在雪崩光电二极管中的应用3.6 InGaN光电探测器的制备及应用3.6.1 材料外延3.6.2 器件制备3.7 波长可调超窄带日盲紫外探测器参考文献第4章 SiC紫外光电探测器4.1 SiC材料的基本物理特性4.1.1 SiC晶型与能带结构4.1.2 SiC外延材料与缺陷4.1.3 SiC的电学特性4.1.4 SiC的光学特性4.2 SiC紫外光电探测器的常用制备工艺4.2.1 清洗工艺4.2.2 台面制备4.2.3 电极制备4.2.4 器件钝化4.2.5 其他工艺4.3 常规类型SiC紫外光电探测器4.3.1 肖特基型紫外光电探测器4.3.2 P-I-N型紫外光电探测器4.4 SiC紫外雪崩光电探测器4.4.1 新型结构SiC紫外雪崩光电探测器4.4.2 SiC APD的高温特性4.4.3 材料缺陷对SiC APD性能的影响4.4.4 SiC APD的雪崩均匀性研究4.4.5 SiC紫外雪崩光电探测器的焦平面成像阵列4.5 SiC紫外光电探测器的产业化应用4.6 SiC紫外光电探测器的发展前景参考文献第5章 氧化镓基紫外光电探测器5.1 引言5.2 超宽禁带氧化镓基半导体5.2.1 超宽禁带氧化镓基半导体材料的制备5.2.2 超宽禁带氧化镓基半导体光电探测器的基本器件工艺5.3 氧化镓基日盲探测器5.3.1 基于氧化镓单晶及外延薄膜的日盲探测器5.3.2 基于氧化镓纳米结构的日盲探测器5.3.3 基于非晶氧化镓的柔性日盲探测器5.3.4 基于氧化镓异质结构的日盲探测器5.3.5 氧化镓基光电导增益物理机制5.3.6 新型结构氧化镓基日盲探测器5.4 辐照效应对宽禁带氧化物半导体性能的影响5.5 氧化镓基紫外光电探测器的发展前景参考文献第6章 ZnO基紫外光电探测器6.1 ZnO材料的性质6.2 ZnO紫外光电探测器6.2.1 光电导型探测器6.2.2 肖特基光电二极管6.2.3 MSM结构探测器6.2.4 同质结探测器6.2.5 异质结探测器6.2.6 压电效应改善ZnO基紫外光电探测器6.3 MgZnO深紫外光电探测器6.3.1 光导型探测器6.3.2 肖特基探测器6.3.3 MSM结构探测器6.3.4 P-N结探测器6.4 ZnO基紫外光电探测器的发展前景参考文献第7章 金刚石紫外光电探测器7.1 引言7.2 金刚石的合成7.3 金刚石光电探测器的类型7.3.1 光电导型光电探测器7.3.2 MSM光电探测器7.3.3 肖特基势垒光电探测器7.3.4 P-I-N和P-N结光电探测器7.3.5 异质结光电探测器7.3.6 光电晶体管7.4 金刚石基光电探测器的应用参考文献第8章 真空紫外光电探测器8.1 真空紫外探测及其应用8.1.1 真空紫外探测的应用8.1.2 真空紫外光的特性8.2 真空紫外光电探测器的类型和工作原理8.2.1 极浅P-N结光电探测器8.2.2 肖特基结构光电探测器8.2.3 MSM结构光电探测器8.3 真空紫外光电探测器的研究进展8.3.1 极浅P-N结光电探测器的研究进展8.3.2 肖特基结构光电探测器的研究进展8.3.3 MSM结构光电探测器的研究进展

近日，Science Advances发表了题为“Broadband and photovoltaic THz/IR response in the GaAs-based ratchet photodetector”的研究工作（Sci. Adv. 8, eabn2031 (2022)）。该论文提出了一种基于GaAs/AlxGa1-xAs异质结的量子棘轮结构。这种结构综合利用了电泵浦实现的热载流子注入效应、自由载流子吸收和从轻、重空穴带到自旋轨道分裂带的光跃迁等多种吸收机制，突破了界面势垒的限制，实现了从近红外到太赫兹波段（4-300太赫兹）的超宽谱光响应。A. 量子棘轮探测器结构. B. 探测器能带结构. C. 器件PL光谱. D.探测器微观机制示意图. 近年来，红外(IR)/太赫兹(THz)光电探测器已经引起了极大的关注。然而，设计高性能的宽带红外/太赫兹探测器一直是个巨大的挑战。在宽谱探测器领域，一直是热探测器占据主要地位，但热探测器难以实现高速探测。光子型探测器具有可调节的响应范围、良好的信噪比和非常快的响应速度。量子阱探测器（QWP）响应速度快，灵敏度高，光子响应范围灵活可调，是性能优异的光子型红外/太赫兹光电探测器。但窄带特性使其覆盖波段十分有限。内光发射探测器（IWIP）由于其正入射响应机制、宽谱响应以及可调的截止频率，一直被认为是极具竞争力的宽带红外/太赫兹光电探测器。但其激活能低，导致较大的暗电流，需要在极低的温度(液氦温区)下工作。量子点探测器可以在高温下实现太赫兹探测和正入射响应，但可靠性和可重复性仍然是一个巨大的挑战。光泵浦热空穴效应探测器（OPHED）基于热-冷空穴的能量转移机制进行探测，可以突破带隙光谱的限制，实现超宽谱的红外/太赫兹探测。其探测波长可调，同时能够抑制暗电流和噪声。然而，依赖于外部光学激励的热空穴注入是太赫兹探测的前置条件，这大大增加了OPHED的复杂性。A.暗电流随温度变化 B. 暗电流与常用太赫兹探测器对比 C. 零偏压下微观响应机制 D. 量子棘轮探测器光响应谱. 应用物理与计算数学研究所白鹏与上海交通大学张月蘅、沈文忠研究组提出了一种基于GaAs/AlxGa1-xAs量子棘轮新结构的超宽谱光子型探测器。该探测器能实现正入射响应，响应范围覆盖4-300THz，远超其他光子类型的探测器的覆盖范围。此外，该器件即使在零偏置电压下也能产生明显的光电流。其峰值响应率达7.3 A/W，比OPHED高出五个数量级。由于量子棘轮能带结构的不对称性，器件的响应在正负偏压下也表现出明显的差别。在温度低于 77K时，由于量子棘轮效应，探测器表现出明显的整流行为，器件暗电流比现有的光子型探测器低得多，噪声等效功率低至3.5 pW·Hz−1/2，探测率高达2.9 × 1010 Jones，展示出其在高温下工作的潜能。 该项研究中展示了一种新型超宽带太赫兹/红外光电探测器。在无任何光耦合结构设计的情况下，这种成像器件具备很宽的光谱探测范围（4-300THz），快响应速度，低噪声等效功率和高探测率，为发展高温高速的超宽谱光电探测器件奠定了基础。 该工作近日发表于Science Advances （Sci. Adv. 8, eabn2031 (2022)）上。共同第一作者北京应用物理与计算数学研究所助理研究员白鹏和张月蘅课题组博士研究生李晓虹，共同通讯作者为应用物理与计算数学研究所楚卫东研究员、上海交通大学张月蘅教授和清华大学赵自然教授。研究工作得到了国家自然科学基金、上海市科技自然科学基金、博士后基金和上海交通大学“人工结构及量子调控”教育部重点实验室开放课题的经费支持。上海交通大学张月蘅课题组承担并参与了器件设计、器件性能测试表征及论文写作方面的工作。

p style=" text-align: justify text-indent: 2em " X光透射成像/CT作为非侵入式的诊断方式，是目前医学领域最重要的临床检测手段。但由于电离效应X射线对于蛋白质、细胞等会造成相当程度的辐射损伤，每年X射线的医学诊断就会导致相当数量的癌症和白血病患者，因此如何降低诊断所需的剂量至关重要。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 而自1895年伦琴发现X射线以来，成像的方法并没有根本上的改变，都是采用直接投影到面探测器，通过累计带有物体信息的光子来展现出一定灰度分布的技术，因此这种方式的成像效率很低，不仅难以大幅度地降低成像所需剂量，而且分辨率受光源尺寸及探测设备分辨力的限制，成为制约传统成像方法的两大相互牵制的瓶颈问题。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 针对辐射剂量的瓶颈问题，2018年中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心光物理重点实验室研究员吴令安和陈黎明合作，首次利用随机调制光强度的简单方法实现了台面式X光“鬼”成像，这种间接的成像方式是基于光场的二阶关联，成像质量取决于探测信号的涨落而非强度的绝对值。 span style=" text-indent: 2em " 以此为基础，团队完成了单光子量级的超低剂量成像，成果发表在Optica& nbsp 以后受到了广泛关注，被Science& nbsp 在深度栏目中报道。在Science的报道中，同领域的专家给予了高度评价：“如果应用于医学成像领域，这将是一项革命性的进步”，与此同时也对该工作提出希望：“提高成像的分辨率与质量，以适应医学成像的要求”。 /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 基于上述实际需求，物理所研究员吴令安与现上海交通大学教授陈黎明再次合作，开启了解决成像分辨率瓶颈问题的探索。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 近期研究团队中的博士生何雨航和张艾昕（共同一作），利用自主研制的Hadamard金掩模振幅调制板，首次实现了基于真正单像素探测器的非相干X光鬼成像。相比于随机调制的方案，该方法利用了Hadamard矩阵的正交完备特性，因此即使在稀疏采样下也能重构出较好的图像。在此基础上，通过引入压缩感知以及卷积神经网络对原有算法进行了升级，最终利用37 μm源尺寸的X光源，在仅18.75%的采样率下就得到了10μm分辨率的成像结果，实现了突破源尺寸限制的超分辨成像，足以对癌变组织进行直接判断，达到了临床医学精细成像的分辨率要求。在计算鬼成像的框架下，高性能的算法以及调制板的精细结构保证了超分辨下较好的图像质量，而更低的采样率意味着更短的曝光时间以及更低的剂量，因此有望利用该技术进一步降低剂量。整个实验布局简单，使用方便，单像素探测器的应用也可极大地降低成本。另一方面，应用该方法极大地降低了对放射源的空间相干性和强度的要求，可以大大推进X光鬼成像的实用化进程。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong 文章链接： /strong /p p a href=" https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.5140322" target=" _self" style=" color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline " span style=" color: rgb(0, 112, 192) " High-resolution sub-sampling incoherent x-ray imaging with a single-pixel detector /span /a /p p a href=" https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-5-4-374" target=" _self" style=" color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline " span style=" color: rgb(0, 112, 192) " Tabletop x-ray ghost imaging with ultra-low radiation /span /a /p p a href=" https://science.sciencemag.org/content/359/6383/1452" target=" _self" style=" color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline " span style=" color: rgb(0, 112, 192) " X-ray ‘ghost images’ could cut radiation doses /span /a /p p img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202005/pic/d53291aa-a690-41f5-b8e9-7de2a156552e.jpg" style=" text-align: center text-indent: 0em font-family: sans-serif font-size: 16px max-width: 100% max-height: 100% " / br/ /p p br/ /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " (a) 物体的3D示意图；(b) 金掩模板扫描电镜图像；(c) 样品的X光透射成像图，曝光时间为5s；(d) 经过4096次曝光后利用TVAL3算法重构的图像，对比度/噪声比（CNR）为0.27；(e) 经过768次曝光后利用CH-MWCNN算法重构的图像，CNR为2.65。 /p p br/ /p p br/ /p

短波红外和中波红外波段是两个重要的大气窗口。在该波段范围内，碲化汞胶体量子点表现出良好的光响应。此外，胶体量子点具有易于液相加工制备以及与硅基工艺兼容等优势，因此有望显著降低红外光电探测器的成本。然而，目前胶体量子点红外光电探测器在比探测率、响应度等核心性能方面与传统块体半导体红外探测器相比仍存在一定差距。有效地调控掺杂和迁移率等输运性质是提升量子点红外光电探测器性能的关键。据麦姆斯咨询报道，近期，北京理工大学光电学院和北京理工大学长三角研究院的科研团队在《光学学报》期刊上发表了以“高载流子迁移率胶体量子点红外探测器”为主题的文章。该文章第一作者为薛晓梦，通讯作者为陈梦璐和郝群。在本项工作中，采用混相配体交换的方法将载流子迁移率提升，并且实现了N型、本征型、P型等多种掺杂类型的调控。在此基础之上，进一步研究了输运性质对探测器性能的影响。与光导型探测器相比，光伏型探测器不需要额外施加偏置电压，没有散粒噪声，拥有更高的理论灵敏度，因此是本项工作的研究重点。同时，使用高载流子迁移率的本征型碲化汞量子点薄膜制备了短波及中波红外光伏型光电探测器。实验过程材料的合成：Te前驱体的制备在氮气环境下，称量1.276 g（1 mmol）碲颗粒置于玻璃瓶中，并加入10 ml的三正辛基膦（TOP）中，均匀搅拌至溶解，得到透明浅黄色的溶液，即为TOP Te溶液。碲化汞胶体量子点的合成在氮气环境下，称量0.1088 g（0.4 mmol，氮气环境下储存）氯化汞粉末置于玻璃瓶中，并加入16 ml油胺（OAM），均匀搅拌并加热至氯化汞粉末全部溶解。本工作中合成短波红外和中波红外碲化汞胶体量子点的反应温度分别为65℃和95℃。使用移液枪取0.4 mL的TOP Te溶液，快速注入到溶于油胺的氯化汞溶液中，反应时间分别为4 min和6 min。反应结束后加入20 ml无水四氯乙烯（TCE）作为淬火溶液。碲化银纳米晶体颗粒的合成在氮气环境下，称量0.068 g（0.4 mmol）硝酸，并加入1 mL油酸（OA）和10 mL油胺（OAM）中，均匀搅拌30 min。溶解后，注入1 mL TOP，快速加热至160℃并持续30-45 min。然后向反应溶液中注入0.2 mL TOP Te（0.2 mmol），反应时间为10 min。碲化汞胶体量子点的混相配体交换混相配体交换过程包括液相配体交换和固相配体交换。选择溴化双十二烷基二甲基铵（DDAB）作为催化剂，将碲化汞胶体量子点溶在正己烷中，取4 ml混合溶液与160 μL β-巯基乙醇（β-ME）和8 mg DDAB在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中混合。之后向溶液中加入异丙醇（IPA）进行离心，倒掉上清液，将沉淀物重新溶解在60μL DMF中。固相配体交换是在制备量子点薄膜后，用1,2-乙二硫醇（EDT）、盐酸（HCL）和IPA（体积比为1:1:20）溶液对已成膜的碲化汞胶体量子点表面进行处理。碲化汞胶体量子点的掺杂调控在调控碲化汞胶体量子点的掺杂方面，Hg²⁺可以通过表面偶极子稳定量子点中的电子，所以选择汞盐（HgCl₂）来调控量子点的掺杂状态。在液相配体交换结束后，向溶于DMF的碲化汞胶体量子点溶液中加入10 mg HgCl₂得到本征型碲化汞胶体量子点，加入20 mg HgCl₂得到N型碲化汞胶体量子点。材料表征采用混相配体交换的方法不仅可以提高载流子迁移率还可以通过表面偶极子调控碲化汞胶体量子点的掺杂密度。液相配体交换前后中波红外碲化汞胶体量子点的TEM图像如图1（a）所示，可以看到，进行液相配体交换后的碲化汞胶体量子点之间的间距明显减小，排列更加紧密。致密的排列可以提高碲化汞胶体量子点对光的吸收率。混相配体交换后的短波红外和中波红外碲化汞胶体量子点的吸收光谱如图1（b）所示，从图1（b）可以看出，短波红外和中波红外碲化汞胶体量子点的吸收峰分别为5250 cm⁻¹和2700 cm⁻¹。利用场效应晶体管（FET）对碲化汞胶体量子点的迁移率和薄膜的掺杂状态进行测量，把碲化汞胶体量子点沉积在表面有一层薄的SiO₂作为绝缘层的Si基底上，基底两侧的金电极分别作为漏极和源极，Si作为栅极，器件结构如图1（c）所示。通过控制栅极的极性和电压大小，可以使场效应晶体管分别处于截止或导通状态。图1（d）是N型、本征型和P型中波红外碲化汞胶体量子点的场效应晶体管转移曲线。利用FET传输曲线的斜率计算了载流子的迁移率μFET。图1 （a）混相配体交换前后碲化汞胶体量子点的透射电镜图；（b）短波红外和中波红外碲化汞胶体量子点的吸收光谱；（c）碲化汞胶体量子点薄膜场效应晶体管测量原理图；（d）在300K时N型、本征型和P型中波红外碲化汞胶体量子点的场效应晶体管转移曲线测试结果。分析与讨论碲化汞胶体量子点光电探测器的制备光伏型探测器不需要施加额外的偏置电压，没有散粒噪声，理论上会具有更好的性能，借鉴之前文献中的报告，器件结构设计为Al₂O₃/ITO/HgTe/Ag₂Te/Au，制备方法如下：第一步，在蓝宝石基底上磁控溅射沉积50 nm ITO，ITO的功函数在4.5~4.7 eV之间。第二步，制备约470 nm的本征型碲化汞胶体量子点薄膜。第三步，取50 μL碲化银纳米晶体溶液以3000 r/min转速旋转30 s，然后用HgCl₂/MEOH（10 mmol/L）溶液静置10 s后以3000 r/min转速旋转30 s，重复上述步骤两次。在这里，Ag⁺作为P型掺杂层，与本征型碲化汞胶体量子点层形成P-I异质结。最后，将器件移至蒸发镀膜机中，在真空环境（5×10⁻⁴ Pa）下蒸镀50 nm Au作为顶层的电极。高迁移率光伏型探测器的结构图和横截面扫描电镜图如图2（a）所示。能级图如图2（b）所示。制备好的探测器的面积为0.2 mm × 0.2 mm。图2 （a）高迁移率碲化汞胶体量子点P-I异质结结构示意图及扫描电镜截面图 （b）碲化汞胶体量子点P-I异质结能带图。器件性能表征为了探究高载流子迁移率短波红外和中波红外光伏型探测器的光电特性，我们测试了器件的I-V曲线以及响应光谱。图3（a）和（b）分别是高迁移率短波红外和中波红外器件的I-V特性曲线，可以看到短波红外和中波红外探测器的开路电压分别为140 mV和80 mV，这表明PI结中形成了较强的内建电场。此外，在零偏置下，高迁移率短波红外和中波红外器件的光电流分别为0.27 μA和5.5 μA。图3（d）和（e）分别为1.9 μm（300 K） ~ 2.03 μm（80 K）的短波红外器件的响应光谱和3.5 μm（300 K） ~ 4.2 μm（80 K）的中波红外器件的响应光谱。比探测率D*和响应度R是表征光电探测器性能的重要参数。R是探测器的响应度，用来描述器件光电转换能力的物理量，即输出信号光电流与输入光信号功率之比。图3 （a）300 K时短波红外I-V曲线；（b）80 K时中波红外I-V曲线；（c）短波红外及中波红外器件的比探测率随温度的变化；（d）短波红外器件在80 K和300 K时的光谱响应；（e）中波红外器件在80 K和300 K时的光谱响应；（f）短波红外和中波红外器件的响应度随温度的变化。图3（e）和（f）给出了探测器的比探测率D*和响应度R随温度的变化。可以看到，短波红外器件在所有被测温度下，D*都可以达到1×10¹¹ Jones以上，中波红外器件在110 K下的D*达到了1.2×10¹¹ Jones。应用此外，本工作验证高载流子迁移率的短波红外和中波红外量子点光电探测器在实际应用，如光谱仪和红外相机。光谱仪实验装置示意图如图4（a）所示，其内部主要是一个迈克尔逊干涉仪。图4（b）和（c）为使用短波红外和中波红外量子点器件探测时有样品和没有样品的光谱响应结果。图4（e）和图4（f）为样品在短波红外和中波红外波段的透过率曲线。对于短波红外波段，选择了CBZ、DDT、BA和TCE这四种样品，它们在可见光下都是透明的，肉眼无法进行区分，但在短波红外的光谱响应和透过率不同。对于中波红外波段，选择了PP和PVC这两个样品。在可见光下它们都是白色的塑料，但在中波红外光谱响应和透过率不同。图4（d）为自制短波红外和中波红外单点相机的扫描成像。，短波相机成像可以给出材质信息。中波红外相机成像则是反应热信息。以烙铁的中波红外成像为例，我们可以清楚地了解烙铁内部的温度分布。在可见光下，硅片呈现不透明的状态使用自制的短波红外相机成像后硅片呈现半透明的状态。图4 （a）利用高载流子迁移率探测器进行响应光谱测量的原理示意图；（b）和（c）分别是在有样品和没有样品两种模式下用自制探测器所探测到的光谱响应；（d）自制短波红外和中波红外光电探测器的单像素扫描成像结果图；（e）TCE、BA、DDT和CBZ在短波红外模式下的透光率，插图为四种样品的可见光图像；（f）PVC和PP在中波红外模式下的透光率，插图为两种样品的可见光图像。结论综上所述，采用混相配体交换的方法，将量子点薄膜中的载流子迁移率提升到了1 cm²/Vs，相较于之前的研究提升了2个量级。并且通过加入汞盐实现了对量子点薄膜的掺杂调控，分别实现了P型、本征型以及N型多种类型的量子点薄膜。同时，基于本征型高迁移率量子点制备了短波红外和中波红外波段的光伏型光电探测器。测试结果表明，提升量子点的输运性质，有效的提升了探测器的响应率、比探测率等核心性能，并且实现了光谱仪和红外相机等应用。本项工作促进了低成本、高性能量子点红外光电探测器的发展。这项研究获得国家自然科学基金（NSFC No.U22A2081、No.62105022）、中国科学技术协会青年托举工程（No.YESS20210142）和北京市科技新星计划（No.Z211100002121069）的资助和支持。论文链接：https://link.cnki.net/urlid/31. 1 252.o4.20230925.0923.016

千呼万唤始出来：为教育而生，MiniPIX EDU掌上光子计数X射线探测器 产品介绍：MiniPIX EDU是一款以教育教学为使用目的而设计定价的小型X射线探测器。它把现代的辐射成像技术带进课堂，让学生可以探索围绕在我们身边却看不见的电离辐射世界，可以了解不同类型辐射的来源，观察这些放射性同位素是如何在自然界和建筑、城市、工业等人造环境中移动。美国宇航局（NASA）在太空中也使用了同样的技术来监测宇航员受到的太空辐射。MiniPIX-EDU可记录非常低的放射性强度，这种强度无处不在。学生可以记录到许多普通材料物体上的放射性强度，例如吸尘器里或口罩上的一点点花岗岩、灰尘或纸袋碎片；可以在白天观察空气中放射性物质的移动；寻找宇宙μ子并查看他们的方向；看看海拔高度如何影响辐射类型的存在；可以尝试搭配豁免源，并对其发出的辐射进行屏蔽；可以检查放射性衰变的规律；可以直接观察不同的辐射类型是如何与物质相互作用的，以及随后会发生什么。将MiniPIX EDU设备插入PC的USB端口，启动软件就可以开始使用了。也可搭配专为教学应用而研发的的RadView辐射可视化软件，迷人的电离粒子图像将立刻呈现在你面前。主要特点:专为教育教学设计，与传统的X射线探测器相比，具有更高的性价比 体积小巧，形似U盘 通过USB接口连接，笔记本电脑即可运行（支持Windows，MacOS or Linux） 人性化软件操作界面 主要参数:读出芯片Timepix像素大小55x55μm传感器分辨率256x256pixels一帧动态范围11082暗电流none接口USB2.0最大帧频55fps尺寸88.9x21x10mm重量30g工作模式:类型模式精度描述帧率（读取所有像素）Event13bit/frame 1 output image: Number of Events per pixel ToT13bit/frame 1 output image: Sum of all Energies deposited in given pixel (Time Over Threshold) ToA13bit/frame1 output image: Time of arrival of first event in given pixel 典型应用:教育：运用现代辐射成像技术的课堂每种被探测到粒子的类型都以放大的形式被呈现。可以将最感兴趣的粒子轨迹保存到日志文件中，以供之后分析。在上图中我们可以看到，在过去几天的历史图表中显示了四个类型粒子的计数。不同类型的粒子会呈现不一样的神秘图案α粒子会产生较大的圆形斑点；β射线显示为狭窄的波浪线，像“蠕虫”；γ射线会产生小点或斑点；宇宙μ子观察到为长直线。你甚至可以观察到一些更为罕见的现象:δ电子，α和β粒子序列形成的抽象花，高能质子的轨迹… 技术平台:源自捷克技术大学实验及应用物理研究所的Advacam S.R.O.，致力于在多学科交叉业务领域提供硅传感器制造、微电子封装、辐射成像探测器和X射线成像解决方案。Advacam核心的技术特点是其X射线探测器（应用Timepix芯片）没有缝隙(No Gap)，因此在无损检测、生物医学、地质采矿、艺术及中子成像方面有极其突出的表现。Advacam同NASA（美国航空航天局）及ESA（欧洲航空航天局）保持很好的项目合作关系，其产品及方案也应用于航空航天领域。北京众星联恒科技有限公司为advacam公司在中国的独家授权代理，现可提供MiniPIX样机免费试用，如有需要，请联系我司工作人员预约时间。创新点：由捷克Advacam S.R.O.于2020年5月推出最新款掌上型X射线探测器MiniPIX EDU。 与之前同系列产品项目，它的定位专门面向课堂，可以作为一款教学工具。是专为教育教学而设计定价的探测器。它把现代的辐射成像技术带进课堂，让高校，甚至是高中的学生得以探索围绕在我们身边的电离辐射世界，可以了解不同类型辐射的来源，观察这些放射性同位素是如何在自然界和建筑、城市、工业等人造环境中移动。它可以搭配advacam公司专为教学展示目的研发的RadView辐射软件，将电离粒子图像以可视化在线的方式呈现。这一用途，基本填补了国内这一领域的空白。 MiniPIX EDU 掌上光子计数X射线探测器

“对于相干衍射成像（CDI），微米级像素的非晶硒CMOS探测器将专门解决大体积晶体材料中纳米级晶格畸变在能量高于50 keV的高分辨率成像。目前可用的像素相对较大的（〜55μm像素），基于medipix3芯片光子计数、像素化、直接探测技术无法轻易支持高能布拉格条纹的分辨率，从而使衍射数据不适用于小晶体的3D重建。” 美国阿贡国家实验室先进物理光子源探测器物理小组负责人Antonino Miceli博士讲到。相干X射线衍射成像作为新兴的高分辨显微成像方法，CDI方法摆脱了由成像元件所带来的对成像分辨率的限制,其成像分辨率理论上仅受限于X射线的波长。利用第三代同步辐射光源或X射线自由电子激光，可实现样品高空间分辨率、高衬度、原位、定量的二维或三维成像，该技术在材料学、生物学及物理学等领域中具有重要的应用前景。作为一种无透镜高分辨、无损成像技术，CDI对探测器提出了较高的要求：需要探测器有单光子灵敏度、高的探测效率和高的动态范围。目前基于软X射线的相干衍射成像研究工作开展得比较多，在这种情况下科研工作者通常选用是的基于全帧芯片的软X射线直接探测相机。将CDI技术拓展到硬X射线领域（50keV）以获得更高成像分辨率是目前很多科研工作者正在尝试的，同时也对探测器和同步辐射光源提出了更好的要求。如上文提到，KAimaging公司开发了一款非晶硒、高分辨X射线探测器（BrillianSe）很好的解决的这一问题。下面我们来重点看一下BrillianSe的几个主要参数1. 高探测效率 如上图，间接探测器需要通过闪烁体将X射线转为可见光， 只有部分可见光会被光电二极管阵列，CCD或CMOS芯片接收，造成了有效信号的丢失。而BrillianSe选用了具有较高原子序数的Se作为传感器材料，可以将大部分入射的X射线直接转为光电子，并被后端电路处理。在硬X射线探测效率远高于间接探测方式。BrillianSe在60KV (2mm filtration)的探测效率为：36% at 10 cycles/mm22% at 45 cycles/mm10% at 64 cycles/mm非晶硒吸收效率（K-edge=12.26 KeV）BrillianSe在60KV with 2 mm Al filtration的探测效率，之前报到15 μm GADOX 9 μm pixel 间接探测器QE 为13%。Larsson et al., Scientific Reports 6, 20162. 高空间分辨BrillianSe的像素尺寸为8 µm x8 µm，在60KeV的点扩散为1.1 倍像素。如下是在美国ANL APS 1-BM光束线测试实验室布局使用JIMA RT RC-05测试卡，在21keV光束下测试3. 高动态范围75dB由于采用了100微米厚的非晶硒作为传感器材料。它具有较大满井为877,000 e-非晶硒材料，不同入射光子能量光子产生一个电子空穴对所需要电离能BrillianSe主要应用：高能（50KeV）布拉格相干衍射成像低密度相衬成像同步辐射微纳CT表型基因组学领域要求X射线显微CT等成像工具具有更好的可视化能力。此外需要更高的空间分辨率，活体成像的关键挑战在于限制受试者接收到的电离辐射，由于诱导的生物学效应，辐射剂量显着地限制了长期研究。可用于X射线吸收成像衬度低的物体，如生物组织的相衬X射线显微断层照相术也存在类似的挑战。此外，增加成像系统的剂量效率将可以使用低亮度X射线源，从而减少了对在同步辐射光源的依赖。在不损害生物系统的情况下，在常规实验室环境中一台低成本、紧凑型的活体成像设备，对于加速生物工程研究至关重要。同时对X射线探测器提出了更高的要求。KAimaging公司基于独家开发的、专利的高空间分辨率非晶硒（a-Se）探测器技术，开发了一套桌面高效率、高分辨的微米CT系统（inCiTe™ ）。可以从inCiTe™ 中受益的应用:• 无损检测• 增材制造• 电子工业• 农学• 地质学• 临床医学• 标本射线照相 基于相衬成像技术获得优异的相位衬度相衬成像是吸收对比（常规）X射线成像的补充。 使用常规X射线成像技术，X射线吸收弱的材料自然会导致较低的图像对比度。 在这种情况下，X射线相位变化具有更高的灵敏度。因为 inCiTe™ micro-CT可以将物体引起的相位变化转为为探测器的强度变化，所以它可以直接获取自由空间传播X射线束相位衬度。 同轴法相衬X射线成像可将X射线吸收较弱的特征的可检测性提高几个数量级。 下图展示了相衬可以更好地显示甜椒种子细节特征不含相衬信息 含相衬信息 低密度材料具有更好的成像质量钛植入样品图像显示了整形外科的钛植入物，可用于不同的应用，即检查骨-植入物的界面。 注意，相衬改善了骨骼结构的可视化。不含相衬信息 含相衬信息 生物样品inCiTe™ 显微CT可实现软组织高衬度呈现电子样品凯夫拉Kevlar复合材料样品我们使用探测器在几秒钟内快速获取了凯夫拉复合材料的相衬图像。可以清楚看到单根纤维形态（左图）和纤维分层情况（右图）。凯夫拉尔复合物3维透视图 KA Imaging KA Imaging源自滑铁卢大学，成立于2015年。作为一家专门开发x射线成像技术和系统的公司，KA Imaging以创新为导向，致力于利用其先进的X射线技术为医疗、兽医学和无损检测工业市场提供最佳解决方案。公司拥有独家开发并自有专利的高空间高分辨率非晶硒（a-Se）X射线探测器BrillianSeTM，并基于此推出了商业化X射线桌面相衬微米CT inCiTe™ 。我们有幸在此宣布，经过双方密切的交流与探讨，众星已与KA Imaging落实并达成了合作协议。众星联恒将作为KA Imaging在中国地区的独家代理，全面负责BrillianSe™ 及inCiTe™ 在中国市场的产品售前咨询，销售以及售后业务。KA Imaging将对众星联恒提供全面、深度的技术培训和支持，以便更好地服务于中国客户。众星联恒及我们来自全球高科技领域的合作伙伴们将继续为中国广大科研用户及工业用户带来更多创新技术及前沿资讯！