MIT中国博士生开发了量子点增强型太赫兹相机，低成本、高灵敏度

光子盒研究院出品

太赫兹（THz）辐射的波长介于微波和可见光之间，可以穿透许多非金属材料并检测某些分子的特征。因此在许多领域都展现出了较好的应用前景，例如机场安全扫描、工业质量控制、天体物理观测、材料的非破坏性表征以及比当前手机频段更高带宽的无线通信。然而，设计用于检测太赫兹波并从太赫兹波中生成图像的设备一直具有挑战性，并且大多数现有的太赫兹设备价格昂贵、速度慢、体积大，并且需要真空系统和极低的温度。

现在，麻省理工学院（MIT）Keith A. Nelson教授团队联合三星公司展示了一种室温互补金属氧化物半导体太赫兹相机和旋光仪，通过场驱动的点间电荷转移，可以在室温和压力下快速检测太赫兹脉冲，灵敏度高；更重要的是，它可以同时实时捕获有关波的方向或“偏振”的信息，这是现有设备无法做到的[1]。

值得一提的是，论文的并列第一作者施骄健本科毕业于北京大学，曾于2011年由华东师范大学第二附属中学保送至北京大学，本科期间在哈佛大学有过一段实习经历。2015年进入麻省理工学院攻读博士，2021年8月毕业，目前是斯坦福大学Aaron Lindenberg团队的博士后。本次工作是施骄健在MIT博士期间完成的。

施骄健博士

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太赫兹相机和偏振仪：低强度、高灵敏度、高分辨率

新系统使用称为“量子点”的粒子，当受到太赫兹波的刺激时，它可以发射可见光；然后可以通过类似于标准电子相机检测器的设备记录可见光，甚至可以用肉眼看到。基于此，该团队制作了两种不同的设备，可以在室温下运行。一个利用量子点将太赫兹脉冲转换为可见光的能力，使该装置能够产生材料的图像；另一个产生显示太赫兹波偏振态的图像。

qTV CMOS太赫兹相机和偏振仪的示意图。该装置由涂有发光体（在本例中，CdSe/CdS QDs）的FES（狭缝或同轴）和一个可见光探测器（CMOS相机）组成。插图显示，太赫兹光子通过发光子系统之间的场驱动电荷转移和辐射重组被转化为可见光子。

新的“相机”由几层组成，采用像用于微芯片的标准制造技术制造。基板上有一排纳米级的平行金线，用窄缝隔开；上面是一层发光的量子点材料；再上面是用于形成图像的CMOS芯片。被称为偏振仪的偏振检测器使用类似的结构，但有纳米级的环形狭缝，这使它能够检测进入的光束的偏振。

Nelson解释说，太赫兹辐射的光子能量极低，这使得它们很难被探测到。“所以，这个设备正在做的是将这些微小的光子能量转换成可见的东西，用普通相机很容易检测到。”他说，在该团队的实验中，该设备能够以低强度检测太赫兹脉冲，这超出了当今大型昂贵系统的能力。同时，研究人员通过拍摄他们设备中使用的一些结构的太赫兹照明照片来证明该探测器的能力，例如纳米间隔的金线和用于偏振探测器的环形狭缝，证明了该系统的灵敏度和分辨率。

CMOS相机用于捕捉太赫兹光束的旋转。

02

实用太赫兹相机迈出重要一步，商业潜力巨大

开发一个实用的太赫兹相机需要一个产生太赫兹波来照亮一个物体的部件，以及另一个检测它们的部件。就后一点而言，目前的太赫兹探测器要么非常慢，因为它们依赖于检测波冲击材料所产生的热量，而热量传播缓慢；要么它们使用相对较快的光电探测器，但灵敏度非常低。此外，直到现在，大多数方法都需要整个太赫兹探测器阵列，每个探测器产生一个像素的图像。施骄健说：“每一个都相当昂贵，因此，一旦他们开始制造照相机，探测器的成本就会开始迅速扩大。”

Nelson说，这种波长的传统探测器在液氦温度（-233℃）下工作，这对于从背景噪音中挑出能量极低的太赫兹光子是必要的。这种新设备能够在室温下用传统的可见光相机检测并产生这些波长的图像，这一点出乎了从事太赫兹领域学者的意料。

他们说，即使在目前的检测水平上，该设备也可以有一些潜在的应用。

在新设备的商业化潜力方面，Nelson说，量子点现在价格低廉，而且容易获得，目前被用于消费产品，如电视屏幕。他说，相机设备的实际制造更加复杂，但也是基于现有的微电子技术。事实上，与现有的太赫兹探测器不同，整个太赫兹相机芯片可以用今天的标准微芯片生产系统来制造，这意味着最终大规模生产这些设备应该是可能的，而且价格相对便宜。

论文的共同作者、明尼苏达大学电气和计算机工程系麦克奈特教授Sang-Hyun Oh补充说，虽然目前版本的太赫兹相机要花费数万美元，但该系统所使用的CMOS相机的低成本特性使其“向建立实用的太赫兹相机迈出了一大步”，巨大的商业化潜力促使制造CMOS相机芯片和量子点设备的三星公司投入资金，与MIT合作开展这项研究。

这项工作得到了美国陆军研究办公室通过麻省理工学院士兵纳米技术研究所、三星全球研究推广计划和能源效率研究科学中心的支持。

03

下一步，提高精度

虽然研究人员表示，他们的新工作已经破解了太赫兹脉冲检测问题，但缺乏好的源头的问题仍然存在：而且世界各地的许多研究小组都正在努力解决。Nelson说，新研究中使用的太赫兹源是一个庞大而繁琐的激光器和光学设备阵列，不容易被扩展到实际应用中，但基于微电子技术的新源正在顺利开发中。“我认为这确实是限制速度的一步。”他说：“你能以一种简单的方式制造[太赫兹]信号，而且不贵吗？但毫无疑问，这将是未来的发展方向。”

研究人员说，有许多途径可以进一步提高这种新相机的灵敏度，包括组件的进一步小型化和保护量子点的方法。

虽然太赫兹波原则上可以用来探测一些天体物理现象，但这些来源将是极其微弱的，而且新设备无法捕捉这种微弱的信号，Nelson表示[2]，尽管该团队正在努力提高其灵敏度。下一代在于把所有东西都做得更小，所以它的灵敏度会更高。

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41565-022-01243-9

[2]https://news.mit.edu/2022/terahertz-camera-low-cost-1104

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