基本信息
- 项目名称：
- 新型纳米半导体掺杂改性红外涂层--影院防偷拍技术的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 纳米重金属原子受可见光激发产生等离子共振效应，将其掺杂于纳米半导体颗粒中可使传统半导体发光能带重组，且控制掺杂金属原子团尺寸的改变可以使带隙发光位置明显红移，体现出光致红外发射特性。本实验用液相还原法制备纳米铜原子团，并用共沉淀法将纳米硫化镉包覆在其表面，最后均匀镶嵌在聚乙烯醇薄膜内形成光激发红外发射涂层。可将其应用于影院屏幕上，发出的红外线干扰摄像机成像，但不影响观众正常观看，达到防偷拍的目的。
- 详细介绍：
- 纳米半导体掺杂改性作为当前国际纳米学术界研究热点，其对传统半导体材料的磁性、光学性能的显著提高备受人们关注。本研究基于纳米半导体掺杂改性的原理对传统的纳米硫化镉半导体发光特性进行改进，制备出具有指定波长红外发射特性的涂层，并打算将其应用于影院防偷拍技术这一新领域。 纳米重金属原子受可见光激发可以产生等离子共振效应，将其掺杂于纳米半导体颗粒中可以使传统半导体发光能带重组，随着掺杂金属原子团尺寸的改变带隙发光位置明显红移，发光波长显著增大，体现出非比寻常的光致红外发射特性。本实验用液相还原法制备出纳米铜原子团，并用共沉淀法将纳米硫化镉成功包覆在其表面，最后均匀镶嵌在聚乙烯醇薄膜内形成一种性能优异的光激发红外发射涂层，经检测这种涂层在532nm激光激发下能够发射出850nm的红外线。 目前市场上的摄像机普遍应用的CCD图像传感器均为对波长为850nm的红外线敏感，夜视条件下成像明暗度会极大地受到入射红外线的影响。我们研制的新型纳米硫化镉-铜涂层具有特殊的原子团尺寸以及包覆特征，受特定激光激发可以发出相应的可见光以至于近场红外，当在电影院内设置波长为532纳米的激光发射器，就会激发纳米硫化镉-铜原子发出所需的波长为850nm的红外线，同时经过光学处理后在长程上几乎不影响影像的可见光的波长和强度。这种红外线是人眼不可见的，所以不会对观众欣赏影片造成影响，但是它在摄像机成像上形成的曝光点阵斑，就会使偷拍者拍摄的影片模糊不可使用。 由于薄膜中纳米颗粒之间的微穴对极化光有特殊传播增强作用，所以经过在影院的调试，涂层所发出的红外很容易可以达到被摄像机CCD感光器接收到的强度。目前的涂层未通过其他的金属掺杂降低其激发阈，则可以与532nm激光器和532nm高反膜（反射率99.8%）结合使用，将其涂在影院屏幕后方使用。 当掺杂了其他金属元素降低激发阈后，涂层则有望直接涂在影院屏幕正面，无需外界光源而受到电影影像中的绿光激发出红外，这是涂层将来应用最理想的情况。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的和基本思路：如今的电影产业受到盗版、偷拍的严重困扰，却一直没有廉价有效的方法维护产业利益，防止盗用行为，于是我们想通过材料科学的研究将这一项技术实现。 纳米金属的等离子共振作用可以使与其紧密结合的纳米半导体发生能带重组，所以经过纳米金属颗粒掺杂的半导体可以表现与传统半导体不同的红外光学特性。我们选用性能满足要求且成本低廉的原料进行研究，既满足理论创新，又适合生产应用。用纳米铜颗粒对纳米硫化镉进行掺杂，并控制掺杂金属和多级结合颗粒的尺寸，就可以使纳米硫化镉的光致发光波长红移至850nm。常用摄像机CCD图像传感器的夜视补光红外波长为850nm，如果在电影大屏幕上沉积硫化镉包覆的铜纳米颗粒涂层，当其受激发射出所需频率的红外线时，会经过CCD数码处理后在摄像机底片上造成过量补光，使偷拍者拍摄的影片明暗参差不可使用。 创新点：实验将不同尺寸纳米铜颗粒的制备方法的研究与硫化镉掺杂改性的研究有机结合，把传统半导体发光材料的发光波长由可见光区提高到红外区域，是一种理论创新；结合现有的纳米半导体掺杂改性理论制备出所需特定发射波长的新型红外薄膜涂层则是一种材料创新。影院防偷拍这个课题本身就极具新颖性和必要性，这方面的研究在国内研究者寥寥，可谓是一种应用创新。在我们所了解的纳米科技成果中，这项技术可以说是国内首创、国际领先的。 技术的关键在于纳米铜的可控尺寸制备、硫化镉包覆颗粒大小的控制和薄膜涂层的浓度控制 主要技术指标为纳米铜的尺寸、硫化镉-铜颗粒尺寸与结合情况和红外发光波长
科学性、先进性
- 科学性：实验原理基于国际研究热潮中的纳米金属颗粒的等离子极化作用和核壳结构半导体掺杂改性原理，参考了多篇国内外文献和多本外文著作中相关领域的理论和结果（见论文参考文献）。经UV-analysis、光栅光谱仪测试、扫描电子显微镜测试和透射电子显微镜测试，得到了纳米铜颗粒的表征结果，纳米硫化镉-铜颗粒尺寸的表征结果，观测到了Cu/CdS微观结合多级形貌，为实验结果提供了理论和组成结构上的科学性支持而且实验结果经重复依然成立。 先进性：国内现在无成型的防偷拍技术或理论研究发表，此红外涂层可弥补这一空白。我们用最短的时间通过纳米金属颗粒掺杂使传统纳米半导体的发光特性改变，验证了国际上最近几年半导体掺杂研究热潮的理论正确性。实验结果使硫化镉的带隙大为缩窄，实现了前所未有的红外发光特性，是对传统半导体改性的突破，开拓了其应用的新领域。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 项目已经完成实验室阶段，可以向应用和生产转化
技术转让方式
- 可以保留知识产权与投资方合作进行投产，或将硫化镉-铜红外涂层制备技术方法以知识产权形势转让
作品可展示的形式
- 模型 现场演示 图片 录像 样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势：半导体掺杂红外涂层是一种全新的材料，其最大的特点和优势就是可以使廉价的宽带隙半导体发出红外光。其优势还在于可以受激发使屏幕上不定点发出红外线，从而对摄像机进行干扰的同时避免偷拍者的反防偷拍措施。降低激发阈值后则可以直接用影院屏幕上的光激发，省去激发光源的同时自动发生频闪作用增强干扰，与红外二极管等无法长时间频闪的光源比则更加廉价耐久。薄膜中纳米颗粒之间的微穴对极化光有特殊传播增强作用，涂层所发出的红外很容易可以达到被影院后排摄像机CCD感光器接收到的强度。 薄膜的制备对生产设备、材料等条件要求较低，对环境污染较小，制备过程具有很高的可重复性和可操控性，对于投入工业生产提供了技术上的支持。 涂层的制备成本非常低廉，经批量生产一块电影院屏幕薄膜涂层成本也将不超过一百元，加之其经久耐用，只要后续研究改进顺利，普及上市非常容易。经过市场调查得知绝大多数影院愿意购买使用此薄膜涂层，其应用前景非常好，市场回报丰厚。将这项研究结果若最终应用于电影院将为电影产业挽回上亿损失。
同类课题研究水平概述
- 当前国际上的半导体掺杂理论成果较多，在Nature、Science杂志上有几十篇相关文章，但是据我们所了解到的国内外同类课题研究水平和文章内容，尚没有纳米硫化镉掺杂纳米铜改性的理论研究成果发表，而且没有关于硫化镉半导体掺杂光致红外发光特性的研究，大多数的研究是围绕CdSe、ZnSe掺杂Au或Ag颗粒的。我们对纳米铜颗粒可控尺寸制备方法的研究由于其制备原料和条件的独特性也是与网上资料中的其他制备方法不同的。国内外对于红外发射材料的研究并不是热潮，几乎没有对传统半导体光致发光特性有如此大的改变的，而且没有红外线干扰CCD感光器成像的理论研究成果发表。 所以在红外发射材料的研究中，Cu/CdS是一种新的材料，关于它尺寸控制光致发光波长向红外方向红移的研究尚未发现同类课题；而红外发光材料在影院防偷拍技术方面的应用也是没有同类的课题。
