Forgyldte krystaller sætter ny standard for naturgasdetektorer

Materialeforskere og ingeniører har udviklet en sensor, der er hurtig, følsom og effektiv nok til at detektere specifikke bølgelængder af elektromagnetisk energi, mens du er på farten. Teknologien kan aktivt scanne områder for metan- eller naturgaslækager, overvåge sundheden for store afgrøder eller hurtigt sortere plast til genbrug.

I tæt samarbejde med det optoelektroniske materialefirma SRICO, ingeniører fra Duke University har bygget en prototypedetektor, der slår den eksisterende konkurrence i størrelse, vægt, strøm, hastighed og, mest vigtigt, koste.

Den nye teknologi er afhængig af metamaterialer - konstruerede strukturer lavet af omhyggeligt designet gentagne celler, der kan interagere med elektromagnetiske bølger på unaturlige måder. Ved at kombinere tilsyneladende enkle mønstre af metal med ekstremt tynde skiver af perfekte krystaller, ingeniørerne skabte en strømlinet enhed, der var i stand til at registrere usynlige infrarøde signaturer udsendt af forskellige former for gasser, plast og andre kilder.

Resultaterne dukkede op den 20. februar, 2017, i journalen Optica .

"Fordelen ved at bruge metamaterialer er, at forskellige komponenter, der kræves i en detektor, kan kombineres til en funktion, sagde Willie Padilla, professor i el- og computerteknik ved Duke. "Denne forenkling giver dig en masse effektivitet."

I en typisk termisk detektor, infrarøde lysbølger absorberes og omdannes til varme af et sort stof, hovedsageligt sod. Denne varme ledes til en separat komponent, der skaber et elektrisk signal, der derefter læses op. Denne opsætning skaber hastighedsbegrænsninger, og kun ved at overlejre filtre eller et komplekst system med bevægelige spejle, kan specifikke bølgelængder skilles ud.

Den nye metamaterialesensor støtter begge disse spørgsmål.

Hver lille del af detektoren består af et mønster af guld, der sidder oven på lithiumniobatkrystal. Denne krystal er pyroelektrisk, hvilket betyder, at når det bliver varmt, det skaber en elektrisk ladning. Som at barbere et stykke ost af en klods, ingeniører hos SRICO bruger en ionstråle til at skrælle et stykke krystal, der kun er 600 nanometer tykt. Denne teknik eliminerer potentielle defekter i den krystallinske struktur, hvilket reducerer baggrundsstøj. Det skaber også et tyndere udsnit end andre tilgange, tillader krystallen at varme op hurtigere.

Normalt, denne krystal er så tynd, at lys simpelthen ville rejse igennem uden at blive absorberet. Imidlertid, forskere skræddersy det øverste lag af guld til et mønster, der kombineres med krystalets egenskaber for at få pixlen til kun at absorbere et bestemt område af elektromagnetiske frekvenser, fjerner behovet for separate filtre. Når krystallen opvarmes og genererer en elektrisk ladning, guldet gør derefter dobbelt pligt ved at bære signalet til detektorens forstærker, eliminerer behovet for separate elektriske ledninger.

"Disse designs tillader, at denne teknologi er 10 til 100 gange hurtigere end eksisterende detektorer, fordi varmen skabes direkte af krystallen," sagde Jon Suen, en postdoktor i Padillas laboratorium. "Dette lader os oprette enheder med færre pixels og præsenterer også muligheden for at feje detektoren hen over et område eller fange billeder i bevægelse."

"Dette er et så godt ægteskab med teknologier, sagde Vincent Stenger, en ingeniør hos SRICO og medforfatter af papiret. "Arbejdet med Duke har været en af ​​de mest ideelle situationer, jeg har haft med teknologioverførsel. Vi kan fokusere på at lave materialet, og de kan fokusere på enhedens struktur. Begge sider har bidraget med et klart produkt i tankerne om, at vi ' arbejder nu på marketing. "

Forskerne kan fremstille enheden til at detektere et bestemt område af elektromagnetiske frekvenser ved blot at redesigne detaljerne i guldmønsteret.

Stenger og hans kolleger hos SRICO har allerede skabt en enkelt-pixel prototype som et bevis på koncept. De arbejder i øjeblikket på at finde finansiering fra branchens investorer eller muligvis et opfølgende statligt tilskud.

Forskerne er optimistiske, da deres enhed har mange fordele i forhold til eksisterende teknologier. Dens hurtige detektionstid ville give den mulighed for hurtigt at scanne over et område, mens han ledte efter metan- eller naturgaslækager. Enkelheden i designet gør den let nok til at transportere ind på marker for at vurdere landbrugsafgrødernes sundhed.

"Du kan endda gøre dette til et billigt laboratorieinstrument til spektroskopi til medicinske prøver, "sagde Padilla." Jeg er ikke sikker på, hvad det endelige prispunkt ville være, men det ville være meget mindre end $ 300, 000 instrumenter, vi i øjeblikket har i vores laboratorium. "