Lysfangende nanokuber driver et billigt multispektralt kamera

Forskere ved Duke University har demonstreret fotodetektorer, der kan spænde over et hidtil uset udvalg af lysfrekvenser ved at bruge on-chip spektralfiltre skabt af skræddersyede elektromagnetiske materialer. Kombinationen af ​​flere fotodetektorer med forskellige frekvensresponser på en enkelt chip kunne muliggøre letvægt, billige multispektrale kameraer til applikationer som kræftkirurgi, fødevaresikkerhedsinspektion og præcisionslandbrug.

Et typisk kamera fanger kun synligt lys, hvilket er en lille brøkdel af det tilgængelige spektrum. Andre kameraer kan specialisere sig i infrarøde eller ultraviolette bølgelængder, for eksempel, men få kan fange lys fra forskellige punkter langs spektret. Og dem, der kan lide af et utal af ulemper, såsom kompliceret og upålidelig fremstilling, langsomme funktionelle hastigheder, omfang, der kan gøre dem svære at transportere, og koster op til hundredtusindvis af dollars.

I forskning, der vises online den 25. november i tidsskriftet Naturmaterialer , Duke-forskere demonstrerer en ny type bredspektret fotodetektor, der kan implementeres på en enkelt chip, giver det mulighed for at fange et multispektralt billede på få billioner af et sekund og blive produceret for kun titusinder af dollars. Teknologien er baseret på fysik kaldet plasmonics - brugen af ​​fysiske fænomener i nanoskala til at fange visse lysfrekvenser.

"Det indfangede lys forårsager en kraftig stigning i temperaturen, som giver os mulighed for at bruge disse seje, men næsten glemte materialer kaldet pyroelektriske stoffer, sagde Maiken Mikkelsen, James N. og Elizabeth H. Barton lektor i elektro- og computerteknik ved Duke University. "Men nu hvor vi har støvet dem af og kombineret dem med den nyeste teknologi, vi har været i stand til at lave disse utrolig hurtige detektorer, der også kan registrere frekvensen af ​​det indkommende lys."

Ifølge Mikkelsen, kommercielle fotodetektorer er blevet fremstillet med disse typer pyroelektriske materialer før, men har altid lidt af to store ulemper. De har ikke været i stand til at fokusere på specifikke elektromagnetiske frekvenser, og de tykke lag af pyroelektrisk materiale, der skal til for at skabe nok af et elektrisk signal, har fået dem til at fungere ved meget langsomme hastigheder.

"Men vores plasmoniske detektorer kan vendes til enhver frekvens og fange så meget energi, at de genererer ret meget varme, " sagde Jon Stewart, en kandidatstuderende i Mikkelsens laboratorium og førsteforfatter på papiret. "Denne effektivitet betyder, at vi kun har brug for et tyndt lag materiale, hvilket i høj grad fremskynder processen."

Den tidligere rekord for detektionstider i enhver type termisk kamera med et on-chip filter, om den bruger pyroelektriske materialer eller ej, var 337 mikrosekunder. Mikkelsens plasmonikbaserede tilgang udløste et signal på kun 700 picosekunder, hvilket er omkring 500, 000 gange hurtigere. Men fordi disse detektionstider var begrænset af de eksperimentelle instrumenter, der blev brugt til at måle dem, de nye fotodetektorer fungerer muligvis endnu hurtigere i fremtiden.

For at opnå dette, Mikkelsen og hendes team lavede sølvterninger på kun hundrede nanometer brede og placerede dem på en gennemsigtig film kun få nanometer over et tyndt lag guld. Når lys rammer overfladen af ​​en nanokube, det ophidser sølvets elektroner, fanger lysets energi - men kun ved en bestemt frekvens.

Størrelsen af ​​sølvnanokuberne og deres afstand fra grundlaget af guld bestemmer denne frekvens, mens mængden af ​​absorberet lys kan indstilles ved at styre afstanden mellem nanopartiklerne. Ved præcist at skræddersy disse størrelser og mellemrum, forskere kan få systemet til at reagere på enhver elektromagnetisk frekvens, de ønsker.

For at udnytte dette grundlæggende fysiske fænomen til et kommercielt hyperspektralt kamera, forskere ville være nødt til at skabe et gitter af bittesmå, individuelle detektorer, hver indstillet til en anden lysfrekvens, til en større 'superpixel'.

I et skridt hen imod dette mål, holdet demonstrerer fire individuelle fotodetektorer skræddersyet til bølgelængder mellem 750 og 1900 nanometer. De plasmoniske metaoverflader absorberer energi fra specifikke frekvenser af indkommende lys og opvarmes. Varmen inducerer en ændring i krystalstrukturen af ​​et tyndt lag pyroelektrisk materiale kaldet aluminiumnitrid, der sidder direkte under dem. Den strukturelle ændring skaber en spænding, som derefter aflæses af et bundlag af en siliciumhalvlederkontakt, der sender signalet til en computer for at analysere.

"Det var slet ikke indlysende, at vi kunne gøre det her, " sagde Mikkelsen. "Det er faktisk ret forbløffende, at ikke kun vores fotodetektorer virker, men vi ser nye, uventede fysiske fænomener, der vil give os mulighed for at fremskynde, hvor hurtigt vi kan gøre denne påvisning i mange størrelsesordener."

Mikkelsen ser flere potentielle anvendelsesmuligheder for kommercielle kameraer baseret på teknologien, fordi processen, der kræves for at fremstille disse fotodetektorer, er relativt hurtig, billig og skalerbar.

Kirurger kan bruge multispektral billeddannelse til at fortælle forskellen mellem kræft og sundt væv under operationen. Fødevare- og vandsikkerhedsinspektører kunne bruge det til at fortælle, hvornår et kyllingebryst er forurenet med farlige bakterier.

Med støtte fra et nyt Moore Inventor Fellowship fra Gordon and Betty Moore Foundation, Mikkelsen har rettet blikket mod præcisionslandbrug som første mål. Mens planter måske kun ser grønne eller brune ud med det blotte øje, lyset uden for det synlige spektrum, der reflekteres fra deres blade, indeholder et overflødighedshorn af værdifuld information.

"Hvis man opnår et 'spektralt fingeraftryk', kan man præcist identificere et materiale og dets sammensætning, " sagde Mikkelsen. "Det kan ikke kun angive plantetypen, men den kan også bestemme dens tilstand, om den har brug for vand, er stresset eller har lavt nitrogenindhold, indikerer behov for gødning. Det er virkelig forbløffende, hvor meget vi kan lære om planter ved blot at studere et spektralbillede af dem."

Hyperspektral billeddannelse kunne muliggøre præcisionslandbrug ved at tillade gødning, pesticider, herbicider og vand må kun påføres, hvor det er nødvendigt, spare vand og penge og reducere forureningen. Forestil dig et hyperspektralt kamera monteret på en drone, der kortlægger en marks tilstand og sender den information til en traktor, der er designet til at levere gødning eller pesticider med varierende hastigheder på tværs af markerne.

Det anslås, at den proces, der i øjeblikket bruges til at fremstille gødning, tegner sig for op til to procent af det globale energiforbrug og op til tre procent af det globale kuldioxidudslip. På samme tid, forskere vurderer, at 50 til 60 procent af den producerede gødning går til spilde. Regnskab for gødning alene, præcisionslandbrug rummer et enormt potentiale for energibesparelser og drivhusgasreduktion, for ikke at nævne de anslåede 8,5 milliarder dollars i direkte omkostningsbesparelser hvert år, ifølge det amerikanske landbrugsministerium.

Flere virksomheder er allerede i gang med denne type projekter. For eksempel, IBM piloterer et projekt i Indien ved hjælp af satellitbilleder til at vurdere afgrøder på denne måde. Denne tilgang, imidlertid, er meget dyrt og begrænsende, Derfor forestiller Mikkelsen sig en billig, håndholdt detektor, der kunne afbilde afgrødemarker fra jorden eller fra billige droner.

"Forestil dig virkningen ikke kun i USA, men også i lav- og mellemindkomstlande, hvor der ofte er mangel på gødning og vand, " sagde Mikkelsen. "Ved at vide, hvor man skal bruge de sparsomme ressourcer, vi kunne øge afgrødeudbyttet betydeligt og hjælpe med at reducere sult."