導讀
近日，日本東京工業大學基於化學“可調諧”的碳納米管材料，開發出柔性的太赫茲成像儀。這些研究成果拓展了太赫茲技術的應用範圍，使其包含環繞式的可穿戴設備和大面積光子設備。
背景
碳納米管（CNTs），從形狀上說，主要是由呈六邊形排列的碳原子構成數層到數十層的同軸圓管。它作為一維納米材料，重量輕，六邊形結構連接完美，具有許多異常的力學、電學和化學性能。
正因為具有卓越的導電性能和獨特的物理特性，碳納米管如今正在電子世界掀起一股研究熱潮，也非常適用於下一代電子設備，特別是柔性電子設備。
為了讓大家更直接地瞭解碳納米管的相關應用，接下來回顧一下筆者以往介紹過的三個案例：
1）沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學的研究人員利用單壁碳納米管 （SWCNTs）為棉線塗上一層奇特材料製造出智能線，可以檢測壓力強度及位置。
2）美國萊斯大學的研究人員研發出由碳納米管纖維製成的無線天線，性能堪比銅天線，而重量卻只有1/20。因為在重量和柔性方面具有優勢，所以這種天線有望應用於航空航天領域和可穿戴電子設備。
3）美國伊利諾伊大學香檳分校的研究人員合成了一種超薄的碳納米管紡織品，通過它反映出遠古時代大自然中的化合物結構，且具有高導電性以及高出銅薄膜50倍的韌性，適用於智能織物、智能皮膚以及一系列柔性電子產品。
今天，我們要重點的關注是碳納米管在太赫茲（THz）領域的應用。昨天，筆者的文章就是關於太赫茲技術的。讓我們重溫一下太赫茲波的概念，它是指頻率範圍在 100GHz 到 10THz 之間，介於微波和紅外線之間的電磁波。太赫茲技術可應用於射電天文學、醫學、通信、雷達、電子對抗、電磁武器、無損檢測、軍事等諸多領域。
太赫茲設備是碳納米管最具前景的應用之一。太赫茲成像儀正逐漸成為傳統成像系統的一種安全可行的替代方案，它可以應用於機場安檢、食品檢測、藝術鑑定、醫療與環境感知技術等諸多方面。
許多的工業應用都需要太赫茲檢測器來進行實時成像，這一需求正激勵著科學研究向著低成本的柔性太赫茲成像系統發展。例如，2016年，東京工業大學未來科學與技術跨學科研究實驗室的 Yukio Kawano，也是這一領域的世界著名專家，宣佈了基於多陣列碳納米管的可穿戴太赫茲技術。
如下圖所示：採用碳納米管陣列的太赫茲成像系統對於人手進行成像。（左）人手插入到成像設備中；（右）人手的掃描圖像。
Kawano 及其團隊一直在研究各種類型碳納米管材料的太赫茲檢測性能。然而對於工業應用的需要來說，基於碳納米管的太赫茲技術仍有很大的提升空間。
創新
近日，日本東京工業大學開發出基於碳納米管薄膜的柔性太赫茲成像儀，這種成像儀經過微調可以使得太赫茲檢測器的性能變得最優。他們的研究成果發表於《ACS Applied Nano Materials》雜誌。
技術
新型太赫茲成像儀是基於化學可調整的半導電的碳納米管薄膜。研究人員利用一種稱為“離子液體門極化”（liquid ionic gating）技術（一種調整載流子特性的技術），展示了他們能夠對於30微米厚度的碳納米管薄膜製成的太赫茲檢測器性能的相關關鍵因素進行高度控制。這種厚度水平是成像儀保持自支撐形狀和柔性的重要保障。
如下圖所示：基於碳納米管的柔性太赫茲成像儀。(a) 太赫茲成像儀放置在手指上，可以很容易地包覆彎曲的表面。(b) 通過插入和旋轉粘貼在指尖上的柔性太赫茲成像儀，可以清楚地檢測到管子的破損。
團隊稱：“除此之外，我們基於可變濃度摻雜溶液開發出無門的費米能級（度為絕對零度時固體能帶中充滿電子的最高能級）調諧，並製造出一個經過費米能級調諧的PN結（P型半導體與N型半導體材料的交界面）碳納米管太赫茲成像儀。”在採用此類成像儀的實驗中，研究人員成功地對於標準信封內的金屬回形針進行了成像。
如下圖所示：非接觸非破壞性的成像。
價值
這種太赫茲成像儀的可彎曲性以及進一步調諧的可能性，將使得不久的將來開發出的碳納米管基設備的應用範圍得以拓展。
更進一步說，低成本製造方案例如噴墨塗層，將使得大面積的太赫茲成像設備更容易實現。
關鍵字
太赫茲、碳納米管、柔性電子
【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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