导读
近日，日本东京工业大学基于化学“可调谐”的碳纳米管材料，开发出柔性的太赫兹成像仪。这些研究成果拓展了太赫兹技术的应用范围，使其包含环绕式的可穿戴设备和大面积光子设备。
背景
碳纳米管（CNTs），从形状上说，主要是由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。它作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。
（图片来源：维基百科）
正因为具有卓越的导电性能和独特的物理特性，碳纳米管如今正在电子世界掀起一股研究热潮，也非常适用于下一代电子设备，特别是柔性电子设备。
为了让大家更直接地了解碳纳米管的相关应用，接下来回顾一下笔者以往介绍过的三个案例：
1）沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的研究人员利用单壁碳纳米管 （SWCNTs）为棉线涂上一层奇特材料制造出智能线，可以检测压力强度及位置。
（图片来源：阿卜杜拉国王科技大学）
2）美国莱斯大学的研究人员研发出由碳纳米管纤维制成的无线天线，性能堪比铜天线，而重量却只有1/20。因为在重量和柔性方面具有优势，所以这种天线有望应用于航空航天领域和可穿戴电子设备。
（图片来源：Jeff Fitlow / 莱斯大学）
3）美国伊利诺伊大学香槟分校的研究人员合成了一种超薄的碳纳米管纺织品，通过它反映出远古时代大自然中的化合物结构，且具有高导电性以及高出铜薄膜50倍的韧性，适用于智能织物、智能皮肤以及一系列柔性电子产品。
（图片来源：伊利诺伊大学）
今天，我们要重点的关注是碳纳米管在太赫兹（THz）领域的应用。昨天，笔者的文章就是关于太赫兹技术的。让我们重温一下太赫兹波的概念，它是指频率范围在 100GHz 到 10THz 之间，介于微波和红外线之间的电磁波。太赫兹技术可应用于射电天文学、医学、通信、雷达、电子对抗、电磁武器、无损检测、军事等诸多领域。
太赫兹设备是碳纳米管最具前景的应用之一。太赫兹成像仪正逐渐成为传统成像系统的一种安全可行的替代方案，它可以应用于机场安检、食品检测、艺术鉴定、医疗与环境感知技术等诸多方面。
（图片来源：Barmak Heshmat）
许多的工业应用都需要太赫兹检测器来进行实时成像，这一需求正激励着科学研究向着低成本的柔性太赫兹成像系统发展。例如，2016年，东京工业大学未来科学与技术跨学科研究实验室的 Yukio Kawano，也是这一领域的世界著名专家，宣布了基于多阵列碳纳米管的可穿戴太赫兹技术。
如下图所示：采用碳纳米管阵列的太赫兹成像系统对于人手进行成像。（左）人手插入到成像设备中；（右）人手的扫描图像。
（图片来源：东京工业大学）
Kawano 及其团队一直在研究各种类型碳纳米管材料的太赫兹检测性能。然而对于工业应用的需要来说，基于碳纳米管的太赫兹技术仍有很大的提升空间。
创新
近日，日本东京工业大学开发出基于碳纳米管薄膜的柔性太赫兹成像仪，这种成像仪经过微调可以使得太赫兹检测器的性能变得最优。他们的研究成果发表于《ACS Applied Nano Materials》杂志。
（图片来源：参考资料【2】）
技术
新型太赫兹成像仪是基于化学可调整的半导电的碳纳米管薄膜。研究人员利用一种称为“离子液体门极化”（liquid ionic gating）技术（一种调整载流子特性的技术），展示了他们能够对于30微米厚度的碳纳米管薄膜制成的太赫兹检测器性能的相关关键因素进行高度控制。这种厚度水平是成像仪保持自支撑形状和柔性的重要保障。
如下图所示：基于碳纳米管的柔性太赫兹成像仪。(a) 太赫兹成像仪放置在手指上，可以很容易地包覆弯曲的表面。(b) 通过插入和旋转粘贴在指尖上的柔性太赫兹成像仪，可以清楚地检测到管子的破损。
（图片来源：东京工业大学）
团队称：“除此之外，我们基于可变浓度掺杂溶液开发出无门的费米能级（度为绝对零度时固体能带中充满电子的最高能级）调谐，并制造出一个经过费米能级调谐的PN结（P型半导体与N型半导体材料的交界面）碳纳米管太赫兹成像仪。”在采用此类成像仪的实验中，研究人员成功地对于标准信封内的金属回形针进行了成像。
如下图所示：非接触非破坏性的成像。
（图片来源：东京工业大学）
价值
这种太赫兹成像仪的可弯曲性以及进一步调谐的可能性，将使得不久的将来开发出的碳纳米管基设备的应用范围得以拓展。
更进一步说，低成本制造方案例如喷墨涂层，将使得大面积的太赫兹成像设备更容易实现。
关键字
太赫兹、碳纳米管、柔性电子
参考资料
【1】https://www.titech.ac.jp/english/news/2018/041828.html
【2】Daichi Suzuki, Yuki Ochiai, Yota Nakagawa, Yuki Kuwahara, Takeshi Saito, Yukio Kawano. Fermi-Level-Controlled Semiconducting-Separated Carbon Nanotube Films for Flexible Terahertz Imagers. ACS Applied Nano Materials, 2018, 1 (6), pp 2469–2475 DOI: 10.1021/acsanm.8b00421
【3】https://www.titech.ac.jp/english/news/2016/036652.html
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