科技前沿—由形狀記憶聚合(he)物諧(xie)振(zhen)器設計的高靈(ling)敏(min)非制(zhi)冷紅外探測器

紅外探測器為紅外熱像儀的(de)(de)(de)(de)核心部件，其主要(yao)(yao)的(de)(de)(de)(de)兩種探(tan)測(ce)(ce)(ce)器(qi)(qi)分為光(guang)子探(tan)測(ce)(ce)(ce)器(qi)(qi)（冷(leng)卻的(de)(de)(de)(de)）和熱(re)探(tan)測(ce)(ce)(ce)器(qi)(qi)（未(wei)冷(leng)卻的(de)(de)(de)(de)）。當(dang)暴露于(yu)紅外(wai)(wai)輻射(she)時，光(guang)子探(tan)測(ce)(ce)(ce)器(qi)(qi)依賴于(yu)探(tan)測(ce)(ce)(ce)器(qi)(qi)材(cai)料內電子—空(kong)穴(xue)對的(de)(de)(de)(de)生(sheng)成進行(xing)作用，這種方式是最快且最靈敏的(de)(de)(de)(de)紅外(wai)(wai)檢測(ce)(ce)(ce)技術。然而(er)，它(ta)們(men)需要(yao)(yao)在(zai)低(di)溫下(xia)操(cao)作以最小化熱(re)產生(sheng)的(de)(de)(de)(de)電子—空(kong)穴(xue)對。冷(leng)卻系統增加了(le)整個系統的(de)(de)(de)(de)尺寸和成本(ben)。

熱探測器(qi)(qi)通過測量溫度相關的(de)物理屬(shu)性來轉換(huan)成紅外輻射，且不需(xu)要主(zhu)動冷卻(que)，具(ju)有體積小(xiao)，節能高的(de)特(te)點。但這樣的(de)方式在靈敏度和(he)響應時間方面仍落后于光子探測器(qi)(qi)。

由于頻率測(ce)量(liang)具有(you)(you)低(di)噪(zao)聲和(he)極(ji)高(gao)的(de)靈敏度，采用(yong)機械共振頻率的(de)共振紅(hong)外探(tan)測(ce)器可(ke)以成為熱探(tan)測(ce)器的(de)突破性技術(shu)。而(er)形狀(zhuang)記(ji)憶(yi)聚合物（SMP）是可(ke)編程的(de)相變材料(liao)，可(ke)以記(ji)憶(yi)永(yong)久形狀(zhuang)，在(zai)給(gei)定(ding)條件下可(ke)以變形并固定(ding)為臨時形狀(zhuang)，隨后在(zai)外部刺(ci)激下恢復其原(yuan)始的(de)永(yong)久形狀(zhuang)。SMP的(de)機械性能可(ke)以使用(yong)諸如溫(wen)度，光，溶劑(ji)和(he)壓力的(de)刺(ci)激來改變。SMP可(ke)用(yong)于提高(gao)溫(wen)度系數（TCF），因為它們的(de)楊氏模量(liang)具有(you)(you)極(ji)高(gao)的(de)溫(wen)度依賴性。

圖為(wei)紅外形(xing)狀記(ji)憶聚合物諧振(zhen)傳感器工作原理

因(yin)此，研究者開發了一種基于熱(re)(re)響應(ying)(ying)SMP的(de)高(gao)靈(ling)敏度共振(zhen)紅(hong)(hong)外(wai)探測(ce)器，其機械性(xing)(xing)能隨溫(wen)度變化而變化。這是首次(ci)將(jiang)聚(ju)合物的(de)熱(re)(re)相變性(xing)(xing)質用(yong)(yong)作紅(hong)(hong)外(wai)檢測(ce)的(de)傳(chuan)導機制。SMP諧(xie)(xie)振(zhen)器提供了前(qian)所未有(you)的(de)響應(ying)(ying)度，因(yin)為具有(you)最高(gao)的(de)溫(wen)度系數。紅(hong)(hong)外(wai)輻射會(hui)加熱(re)(re)SMP，從(cong)而改變其機械性(xing)(xing)能。SMP材(cai)料本身不僅提供了紅(hong)(hong)外(wai)到頻率轉換的(de)機制，而且(qie)在長波范圍（即7—14μm）內也是良好的(de)吸收(shou)體(ti)，從(cong)而避免了需要(yao)額(e)外(wai)的(de)吸收(shou)體(ti)層的(de)情況(kuang)。SMP材(cai)料的(de)導熱(re)(re)系數低(di)，可(ke)(ke)與環境實現良好的(de)熱(re)(re)隔(ge)離。這些(xie)特性(xing)(xing)不僅在真空中而且(qie)在大氣壓(ya)下都(dou)可(ke)(ke)以實現高(gao)靈(ling)敏度的(de)紅(hong)(hong)外(wai)熱(re)(re)檢測(ce)。通過將(jiang)SMP與SiNx膜(mo)一起用(yong)(yong)作雙(shuang)壓(ya)電晶片諧(xie)(xie)振(zhen)器，可(ke)(ke)以進一步提高(gao)紅(hong)(hong)外(wai)感應(ying)(ying)的(de)靈(ling)敏度。

參考資料：

Ulas Adiyan, Tom Larsen, Juan José Zárate, et al. Shape memory polymer resonators as highly sensitive uncooled infrared detectors[J]. Nature Communications, 10:4518, 1-9, 2019.