TiaSang
Thứ hai, Ngày 14 tháng 6 năm 2021
Đổi mới sáng tạo

Thiết bị dạng màng mỏng chuyển đổi tia hồng ngoại thành hình ảnh

10/05/2021 09:00 -

Nhìn xuyên qua sương mù và bụi mờ. Vẽ được sơ đồ các mạch máu của con người trong khi kiểm tra nhịp tim đập tại cùng thời điểm mà không cần phải chạm đến cả làn da người đó. Nhìn thấu qua các đĩa bán dẫn silicon để kiểm tra chất lượng và thành phần của các bảng điện tử. Đó là chỉ là một vài năng lực của một bộ thu ảnh tia hồng ngoại mới do một nhóm nghiên cứu ở trường đại học California San Diego phát triển.

Tina Ng, giáo sư kỹ thuật điện và kỹ thuật máy tính tại trường Kỹ thuật Jacobs, UC San Diego

Bộ thu ảnh dò được là một phần của phổ tia hồng ngoại vốn được gọi là tia sáng tia hồng ngoại sóng ngắn (bước sóng từ 1000 đến 1400 nano mét), nằm ở ngoài phổ có thể nhìn thấy được (400 đến 700 nano mét). Không thể nhầm lẫn hình ảnh tia hồng ngoại sóng ngắn với hình ảnh nhiệt, vốn dò được với bước sóng tia hồng ngoại dài hơn nhiều cơ thể phát ra.

Bộ thu ảnh hồng ngoại hoạt động bằng cách chiếu sáng tia hồng ngoại sóng ngắn lên một vùng hoặc không vật thể mà người ta quan tâm, sau đó chuyển đổi mức năng lượng thấp của tia hồng ngoại sóng ngắn được phản chiếu trở lại thiết bị thành các bước sóng ngắn hơn, có mức năng lượng cao hơn mà mắt người có thể nhìn thấy được.

“Nó khiến tia sáng vô hình có thể nhìn thấy được”, Tina Ng, một giáo sư kỹ thuật điện và kỹ thuật máy tính tại trường Kỹ thuật Jacobs, UC San Diego, nói.

Dù kỹ thuật hình ảnh hồng ngoại đã được phát triển trong nhiều thế kỷ, phần lớn các hệ hồng ngoại đều rất đắt đỏ, cồng kềnh và phức tạp. Nó thường đòi hỏi một camera và màn hình hiển thị riêng biệt. Nó cũng thường được làm từ chất bán dẫn vô cơ, vốn đắt đỏ, hiếm hoi và chứa cả những độc chất như arsenic và chì.

Bộ tạo ảnh hồng ngoại mà nhóm nghiên cứu của Ng phát triển đã vượt qua được những vấn đề đó. Nó tích hợp được các cảm biến và phần hiển thị trên một thiết bị mỏng, khiến cho nó trở nên gọn nhẹ và đơn giản. Và mặc dù sử dụng chất bán dẫn vô cơ nhưng giá thành của nó lại rẻ, gọn nhẹ và an toàn để sử dụng cho các ứng dụng y sinh. Điều đặc biệt là nó đem lại những hình ảnh có độ phân giải cao hơn những thiết bị trước đó.

Bộ hình ảnh mới được miêu tả trong bài báo xuất bản trên Advanced Functional Materials, đã đưa ra một số ưu điểm. Nó có thể nhìn thấy một số phổ hồng ngoại có bước sóng ngắn hơn như từ 1000 đến 1400 nano mét – các hệ tương tự đã được biết thường chỉ nhìn thấy quãng dưới 1200 nano mét. Nó cũng là một trong những kích thước các máy tạo ảnh tia hồng ngoại có hiển thị lớn nhất: diện tích 2 cm2. Và do hình ảnh được tạo ra bằng việc sử dụng các quá trình xử lý màng mỏng nên rất dễ dàng và không tốn kém nếu mở rộng quy mô để tạo ra những màn hình lớn hơn nữa.  

Chuyển các photon hồng ngoại thành các photon có thể nhìn thấy

Bộ tạo ảnh này được tạo ra bằng các lớp bán dẫn, mỗi lớp có độ dày hàng trăm nano mét, lớp nọ xếp chồng lên trên lớp khác. Ba trong số các lớp này được làm từ các polymer hữu cơ khác nhau là những yếu tố chính của thiết bị: một lớp dò photon, một lớp hiển thị diode phát sáng hữu cơ (OLED), và một lớp chặn electron ở giữa.

Lớp dò photon hấp thụ tia hồng ngoại bước sóng ngắn (các photon năng lượng thấp) và sau đó sinh ra một dòng điện. Dòng điện này chạy đến lớp hiển thị OLED, nơi chuyển đổi nó thành một hình ảnh có thể nhìn thấy (các photon năng lượn cao). Một lớp trung gian gọi là lớp chặn electron giữ cho lớp hiển thị OLED khỏi mất dòng điện. Đây là những gì giúp thiết bị tạo ra một hình ảnh ‘sạch’ hơn.

Quá trình chuyển đổi các photon năng lượng thấp thành photon năng lượng cao được biết đến như một sự đảo nghịch. Điều đặc biệt ở đây là quá trình đảo nghịch này là điện tử. “Sự tiên tiến của quá trình này cho phép chuyển đổi trực tiếp từ tia hồng ngoại không thể thấy bằng mắt thường thành có thể nhìn thấy trên một hệ mỏng và gọn”, Ning Li, một nghiên cứu sinh tại phòng thí nghiệm của Ng và là tác giả thứ nhất của nghiên cứu, giải thích. “Trong một hệ hình ảnh hồng ngoại cụ thể, nơi sự nghịch đảo không có điện tử, anh cần một máy dò xếp dãy để thu thập dữ liệu, một máy tính để xử lý dữ liệu và một màn hình tách biệt để hiện thị chính dữ liệu đó. Đây là lý do giải thích tại sao các hệ đang có đều rất cồng kềnh và đắt đỏ”.

Một đặc điểm đặc biệt khác là chính bộ tạo hình ảnh này rất hiệu quả trong việc cung cấp các hiển thị điện tử và quang học. “Nó khiến cho thiết bị này có đa chức năng”, Li nói. Ví dụ, khi các nhà nghiên cứu chiếu ánh sáng hồng ngoại vào mu bàn tay của một người, thiết bị sẽ cung cấp một bức tranh của cả các mạch máu của hệ cũng như nhịp tim của họ.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng thiết bị tia hồng ngoại của mình để nhìn xuyên thấu sương mù và một miếng silicon. Trong một thực nghiệm, họ đặt một miếng che quang có đục lỗ “EXIT” trong một buồng nhỏ có khói. Trong một thử nghiệm khác, họ đặt một miếng che quang có đục lỗ “UCSD” phía sau một miếng silicon. Tia hồng ngoại xuyên qua cả khói và silicon, khiến thiết bị có thể nhìn thấy các chữ cái. Với tính năng này, thiết bị có thể hữu ích cho các ứng dụng như giúp xe ô tô tự lái có thể nhìn thấy đường đi trong thời tiết xấu và kiểm tra các lỗi của chip silicon.

Các nhà nghiên cứu hiện giờ đang tiếp tục cải thiện hiệu quả của thiết bị này.

Thanh Phương tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2021-05-thin-large-area-device-infrared-images.html

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202100565

Tags: