科研資訊
2019-04-08 11:01:02
傳感器世界 2019年11期
我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)納米級(jí)空間分辨電磁場(chǎng)量子傳感
Applied Physics Reviews 近期發(fā)表了中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)孫方穩(wěn)小組的研究成果，該研究小組實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了50nm 空間分辨力高精度多功能量子傳感。
微納光電子器件具有尺寸小、電磁場(chǎng)強(qiáng)度低、易受干擾等特點(diǎn)，因此，微納電磁場(chǎng)探測(cè)技術(shù)需要同時(shí)解決高空間分辨力、高測(cè)量靈敏度及非破壞性測(cè)量等難題和挑戰(zhàn)。
研究人員提出利用量子傳感和量子探針等新思路，發(fā)展了具有納米級(jí)空間分辨力的遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)超分辨成像新技術(shù)。結(jié)合高保真度量子態(tài)調(diào)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)具有高空間分辨力、高測(cè)量靈敏度及非破壞性測(cè)量的微納電磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)。
首先，基于金剛石氮—空位色心中電荷態(tài)的調(diào)控，提出并實(shí)現(xiàn)了具有納米級(jí)空間分辨力超低泵浦功率的電荷態(tài)耗盡納米成像術(shù)，實(shí)現(xiàn)了4.1nm 空間分辨力的電子自旋量子態(tài)的成像與檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)獲得的成像分辨力是光學(xué)衍射極限的1/86，超過(guò)了受激輻射損耗熒光顯微成像術(shù)，2014 年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)所獲得的1/67 的精度，將有望應(yīng)用在活體生物檢測(cè)中。
研究人員進(jìn)一步將CSD 納米成像術(shù)與熒光壽命成像、光學(xué)偏振態(tài)檢測(cè)、電子自旋態(tài)高保真度量子操控技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬納米線結(jié)構(gòu)所攜帶的光場(chǎng)態(tài)密度、偏振、電流及其產(chǎn)生的磁場(chǎng)等多個(gè)物理量的非破壞性測(cè)量，空間分辨力達(dá)50nm，使得該微納光電磁場(chǎng)的探測(cè)精準(zhǔn)度超過(guò)了96%。
這些系列成果為高空間分辨力非破壞電磁場(chǎng)檢測(cè)和實(shí)用化的量子傳感打下了基礎(chǔ)，將應(yīng)用于微納電磁場(chǎng)及光電子芯片的檢測(cè)，并拓寬遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨成像技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景。
我國(guó)研發(fā)新型柔性鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管
Advanced Functional Materials 在2019 年11 月刊發(fā)了中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院一個(gè)研究小組在柔性鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管領(lǐng)域取得的新進(jìn)展——一種低功耗、耐高溫、高性能柔性鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Highly robust flexible ferroelectric field effect transistors operable at high temperature with lowpower consumption）。
鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FeFET）具有多種功能和可調(diào)諧特性，在低功耗傳感器、非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以及新興的人工突觸等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。隨著社會(huì)的高速發(fā)展，人們對(duì)柔性可穿戴設(shè)備有了更高的需求，對(duì)FeFET 的柔性化提出了更高的要求。但目前柔性FeFET 大都基于有機(jī)鐵電材料，存在極化強(qiáng)度低、熱穩(wěn)定性差、能耗高等弊端。
研究團(tuán)隊(duì)基于白云母襯底和外延Pb(Zr0.1Ti0.9)O3/ZnO 異質(zhì)結(jié)，研發(fā)出了全無(wú)機(jī)的柔性FeFET。這種FeFET 不僅保持操作電壓?。ā?V）、功耗低、開(kāi)關(guān)比高、保持性好等無(wú)機(jī)鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的優(yōu)點(diǎn)，也兼具柔性耐彎折的特點(diǎn)，在反復(fù)彎折和高溫條件下仍能保持良好的FeFET 電學(xué)性能。這項(xiàng)工作證明了云母作為一個(gè)通用平臺(tái)的巨大潛力，為柔性FeFET 在下一代低功耗、耐高溫柔性電子產(chǎn)品中的應(yīng)用提供了新的選擇。
新型聲表面波快速氫氣傳感技術(shù)
氫氣易燃易爆的本質(zhì)特點(diǎn)使得快速與高靈敏的氫敏技術(shù)在氫氣開(kāi)發(fā)利用中的安全防護(hù)扮演著極為重要的角色?，F(xiàn)有技術(shù)在功耗、體積、響應(yīng)速度及靈敏度等方面均面臨瓶頸，難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。
Sensors and Actuator B 報(bào)導(dǎo)了中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所王文團(tuán)隊(duì)與南開(kāi)大學(xué)楊大馳團(tuán)隊(duì)合作研制的一種秒級(jí)響應(yīng)的新型聲表面波氫敏器件（Development of a Pd/Cu nanowires coated SAW hydrogen gas sensor with fast response and recovery）。
這種器件將微納聲表面波器件技術(shù)與快速響應(yīng)的鈀銅納米線氫敏材料相結(jié)合，納米線形態(tài)的鈀銅氫敏材料具有極高的吸附面積，由此大幅增加了氫敏效率，從而提高傳感器響應(yīng)速度與靈敏度。
研究人員利用電化學(xué)沉積方法合成的鈀銅納米線滴涂制備于傳感器件表面聲表面波傳播路徑表面，構(gòu)建出了小尺度聲表面波氫敏器件。結(jié)合差分振蕩結(jié)構(gòu)的傳感電路，對(duì)所研制的聲表面波氫敏器件進(jìn)行了測(cè)試評(píng)價(jià)，相對(duì)于國(guó)內(nèi)外已報(bào)道氫敏元件，傳感器實(shí)現(xiàn)了快速的傳感響應(yīng)（<4s），此外還具有低檢測(cè)限（7ppm）、良好選擇性和重復(fù)性的特點(diǎn)，其靈敏度達(dá)1.5kHz/%，在氫能應(yīng)用中具有很好的應(yīng)用前景。
非制冷紅外探測(cè)器靈敏度增強(qiáng)新方法
Applied Physics Letters 報(bào)導(dǎo)了中科院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所李傳宇、周連群等開(kāi)展的基于光—熱—聲效應(yīng)的薄膜壓電Lamb 波紅外探測(cè)技術(shù)研究，他們提出了一種通過(guò)Lamb 波傳感器涂覆聚多巴胺（PDA）納米粒子的方式（PDA-Lamb）增強(qiáng)紅外探測(cè)靈敏度的新方法（APPL PHYS LETT, 2019, 114(18): 183505）。
研究人員將Lamb 波傳感器的零階對(duì)稱（S0）模式和零階反對(duì)稱（A0）模式，以及PDA-Lamb 的A0 模式三種模式作為研究對(duì)象。三種模式在紅外光照射前后分別產(chǎn)生不同的頻移，通過(guò)比較頻率相對(duì)移動(dòng)量來(lái)反映紅外探測(cè)的靈敏度。結(jié)果表明：紅外光開(kāi)啟瞬間，PDA 涂覆的Lamb 波傳感器（PDA-Lamb）諧振頻率相對(duì)變化量與紅外輻射強(qiáng)度呈高度線性關(guān)系，PDA-Lamb 比未涂覆通道高近1 個(gè)數(shù)量級(jí)。靈敏度的增強(qiáng)得益于光—熱轉(zhuǎn)化效率的提升，而涂覆前后熱—聲轉(zhuǎn)化效率基本不變。該研究為高性能薄膜壓電聲波紅外探測(cè)器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了參考依據(jù)，將有助于在紅外治療等領(lǐng)域得到應(yīng)用。
近年來(lái)，基于薄膜壓電原理的紅外探測(cè)器成為國(guó)內(nèi)外紅外熱探測(cè)器的研究熱點(diǎn)之一。其中，薄膜壓電Lamb 波傳感器無(wú)需電容式傳感器驅(qū)動(dòng)所需的物理間隙，并且具備非制冷、低功耗、高CMOS 工藝兼容性等優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前紅外探測(cè)核心器件的理想選擇之一。然而，薄膜壓電Lamb 波傳感器用作紅外探測(cè)時(shí)，紅外輻射與傳感器諧振頻率之間的相關(guān)性有待深入研究，旨在為探測(cè)器性能的增強(qiáng)提供科學(xué)依據(jù)。
能夠抓取凝膠狀水母的機(jī)器人手
水母約95%是水，其余5%的身體是非常脆弱的。目前，大多數(shù)用于捕獲水母的工具都是為海洋石油和天然氣工業(yè)開(kāi)發(fā)的，當(dāng)它們?cè)噲D捕獲水母時(shí)，往往會(huì)將其碎裂成碎片。
哈佛大學(xué)研究人員發(fā)明了一種機(jī)器人手，采用硅樹(shù)脂制作的抓取器，可以非常“溫柔”地抓取和釋放脆弱的凝膠狀水母，其施加的壓力不到人眼瞼對(duì)眼睛施加壓力的十分之一。
這項(xiàng)技術(shù)還可以幫助研究人員收集和研究其他海洋生物，并且可以促進(jìn)其他軟性機(jī)器人的發(fā)展，如太空探索和醫(yī)療保健的裝置。
ShadowCam 的系統(tǒng)通過(guò)影子變化避障
MIT 一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一套名為ShadowCam 的系統(tǒng)，這套系統(tǒng)可以根據(jù)人、物投射在地面的陰影變化來(lái)判斷是否有移動(dòng)的“目標(biāo)”靠近，如果未來(lái)應(yīng)用在自動(dòng)駕駛汽車上，它可以幫助汽車敏銳地避開(kāi)沖撞過(guò)來(lái)的車、人或者不明物體。
在實(shí)驗(yàn)中，MIT 研究團(tuán)隊(duì)測(cè)試和對(duì)比了安裝該系統(tǒng)與安裝雷達(dá)的機(jī)器人在避障上的表現(xiàn)，他們發(fā)現(xiàn)在機(jī)器人感應(yīng)到周圍駛近的車輛并停下來(lái)的過(guò)程中，新系統(tǒng)比雷達(dá)檢測(cè)快了半秒多。這一優(yōu)勢(shì)在自動(dòng)駕駛高速場(chǎng)景中可能會(huì)幫助避免車禍的發(fā)生或者減輕損失。
研究人員Daniela Rus 介紹說(shuō)：“我們的解決方案可以用在車輛的預(yù)警系統(tǒng)中。如果周圍有其他移動(dòng)物體或人，它可以向中控臺(tái)發(fā)出警告，提醒有人來(lái)臨，讓車輛減速并調(diào)整路徑做好準(zhǔn)備，以避免事故的發(fā)生。”
全球第一艘全尺寸無(wú)人駕駛?cè)灾鞔?/h2>
由海洋研究組織ProMare 牽頭的一個(gè)全球合作聯(lián)盟目前正在合力建造一艘無(wú)人駕駛?cè)灾鞔啊癕ayflower Autonomous Ship”號(hào)（MAS），計(jì)劃在2020 年9 月完成橫跨大西洋航行。
IBM 及英國(guó)伯明翰大學(xué)都宣布加入。IBM 將為MAS 提供人工智能、先進(jìn)的服務(wù)器、云計(jì)算和邊緣計(jì)算技術(shù)。英國(guó)伯明翰大學(xué)將負(fù)責(zé)VR、AR 和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)。
據(jù)悉，MAS 是全球第一艘全尺寸、完全自主研發(fā)的無(wú)人駕駛船，船長(zhǎng)32.5m、寬16.8m，配備了GPS 導(dǎo)航及防撞系統(tǒng)，由風(fēng)能和太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)，利用人工智能（AI）和其他先進(jìn)技術(shù)，收集氣候、海洋和氣象科研所需的數(shù)據(jù)，用于監(jiān)控海洋環(huán)境變化。
在航行時(shí)將配載無(wú)人機(jī)方便配合進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)，這些無(wú)人機(jī)可以隨時(shí)釋放，支持不同的科研實(shí)驗(yàn)。該船還攜帶3 個(gè)裝有傳感器和科學(xué)儀器的研究艙，研究人員將使用這些傳感器和儀器來(lái)推進(jìn)對(duì)許多重要領(lǐng)域的理解，如海上網(wǎng)絡(luò)安全、海洋哺乳動(dòng)物監(jiān)測(cè)、海平面測(cè)繪和海洋塑料。
MAS 項(xiàng)目聯(lián)合主管Brett Phaneuf表示：“通過(guò)MAS 項(xiàng)目，我們正在開(kāi)創(chuàng)一個(gè)具有成本效益的靈活平臺(tái)，用于收集數(shù)據(jù)，這將有助于維持海洋及其支持產(chǎn)業(yè)的健康狀況?！?/p>
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