Forskere kaster lys over nyt billigt materiale til at se i mørket

Forskere ved U.S. Army Research Laboratory og Stony Brook University har udviklet en ny synteseproces til lavprisfremstilling af et materiale, der tidligere var nedsat i litteraturen til højfølsomme infrarøde kameraer, åbner nye muligheder for fremtidige hærens natteoperationer.

ARL's Drs. Wendy Sarney og Stefan Svensson førte en ny tilgang til at bruge halvlederen InAsSb, et materiale, der ikke før har været brugt i højtydende IR-kameraer til de længste bølgelængder (10 mikron). De bedste materialer til IR-kameraets lyssensorer er i øjeblikket baseret på HgCdTe, som tilhører familien af ​​II-VI forbindelser.

"Desværre, de er meget dyre, mest fordi der kun er militære kunder til dette materiale, sagde Svensson.

InAsSb er en III-V halvleder, som er en klasse af materialer, der bruges i opto-elektronik i mange kommercielle produkter såsom dvd-afspillere og mobiltelefoner.

"Det menneskelige øje er af naturen optimeret til at observere reflekteret lys fra solen i et meget smalt farvebånd (lysbølgelængder), kendt som det synlige spektrum; imidlertid, alle genstande i naturen lyser med et svagt lys selv ved lave temperaturer, som producerer farver i det infrarøde (IR) område, som er usynlige for det blotte øje. Disse bølgelængder er omkring ti gange længere end dem for synligt lys.

"Ved at bruge kameraer, der kan se det svage IR-lys, soldater kan operere i løbet af natten, "Sarney sagde." Jo mere følsomt sådan et kamera er, eller med andre ord, jo mindre farve- eller temperaturforskellene er, som den kan se, jo flere detaljer, der kan skelnes på en slagmark, og fjender kan opdages på længere afstande. Højtydende IR-kameraer er derfor ekstremt vigtige for hæren."

Nøglen i denne opdagelse var erkendelsen af, at materialet skulle være uforvrænget af belastning for at kunne se ved 10 mikron. Dette var en stor vanskelighed, der skulle overvindes, før InAsSb kunne bruges som sensormateriale. Ydeevnen af ​​enheder baseret på halvledermaterialer afhænger også af materialets krystallinske perfektion. InAsSb skal deponeres på et krystallinsk udgangsmateriale (et substrat), der har en mindre afstand mellem atomerne. Denne størrelsesmismatch på atomskalaen skal håndteres ekstremt godt, for at det lysfølsomme materiale kan fungere korrekt.

Blandt mulige substrater, større og billigere har typisk gradvist mindre atomafstand. I løbet af adskillige år fandt ARL og Stony Brook en måde at styre atomafstandsmismatchet på, hvilket kulminerede i det nuværende arbejde, der bruger GaAs som et substrat. Dette er det mest almindelige substrat, der bruges i III-V-industrien til talrige forbrugerprodukter. Det er billigt og fås i store størrelser. Stort areal substrater tillader fremstilling af flere kamerasensorer på samme tid, hvilket kunne udføres i kommercielle støberier. Alt dette åbner muligheder for at producere højkvalitets IR-kameraer til soldater til en meget reduceret pris.

ARL og Stony Brook kombinerede belastningsmedierende teknikker for effektivt at styre ?10 % atomafstandsmismatch mellem InAsSb-sensormaterialet og GaAs-substratet. At gøre dette, de afsatte et mellemlag af GaSb på GaAs på en måde, der fangede de fleste defekter forårsaget af størrelsesmismatchen. De øgede derefter atomafstanden yderligere med et graderet lag, der også holdt defekter væk fra InAsSb-sensormaterialet.

Materialet blev undersøgt med højopløsnings-transmissionselektronmikroskopi for at sikre, at det havde tilstrækkelig strukturel kvalitet. De fandt også, at den optiske kvalitet relateret til detektionsegenskaber var bemærkelsesværdig høj. Denne forskning viser en vej til en praktisk, billigere løsning til eventuel opsætning af nattesynssystemer baseret på III-V langbølgelængde infrarøde materialer.