Nye kombinationer af nanomaterialer giver et spring inden for infrarød teknologi

Arizona State University-forskere er ved at finde måder at forbedre infrarød fotodetektorteknologi, der er afgørende for nationale forsvars- og sikkerhedssystemer, samt bruges i stigende grad i kommercielle applikationer og forbrugerprodukter.

Et betydeligt fremskridt rapporteres i en nylig artikel i tidsskriftet Anvendt fysik bogstaver . Det detaljerer opdagelsen af, hvordan infrarød fotodetektion kan udføres mere effektivt ved at bruge visse materialer arrangeret i specifikke mønstre i strukturer i atomare skala.

Det opnås ved at bruge flere ultratynde lag af materialerne, der kun er flere nanometer tykke. Der dannes krystaller i hvert lag. Disse lagdelte strukturer kombineres derefter for at danne det, der kaldes "supergitter".

Fotodetektorer lavet af forskellige krystaller absorberer forskellige bølgelængder af lys og konverterer dem til et elektrisk signal. Konverteringseffektiviteten opnået af disse krystaller bestemmer en fotodetektors følsomhed og kvaliteten af ​​detektionen, den giver, forklarer elektroingeniør Yong-Hang Zhang.

Den unikke egenskab ved supergitterne er, at deres detektionsbølgelængder kan tunes bredt ved at ændre design og sammensætning af de lagdelte strukturer. De præcise arrangementer af materialer i nanoskala i supergitterstrukturer hjælper med at øge følsomheden af ​​infrarøde detektorer, siger Zhang.

Zhang er professor ved School of Electrical, Computer- og energiteknik, en af ​​ASU's Ira A. Fulton Schools of Engineering. Han leder arbejdet med forskning i infrarød teknologi i ASU's Center for Photonics Innovation.

Yderligere forskning på dette område støttes af et tilskud fra Air Force Office of Scientific Research og et nyt Multidisciplinary University Research Initiative (MURI)-program etableret af U.S. Army Research Office. ASU er partner i programmet ledet af University of Illinois i Urbana-Champaign.

MURI-programmet gør det muligt for Zhangs gruppe at fremskynde sit arbejde ved at samarbejde med David Smith, en professor ved Institut for Fysik i ASU's College of Liberal Arts and Sciences, og Shane Johnson, seniorforsker ved ASU's ingeniørskoler.

Holdet bruger en kombination af indiumarsenid og indiumarsenidantimonid til at bygge supergitterstrukturerne. Kombinationen gør det muligt for enheder at generere fotoelektroner, der er nødvendige for at give infrarøde signaldetektion og billeddannelse, siger Elizabeth Steenbergen, en ph.d.-studerende i elektroingeniør, der udførte eksperimenter på suppergittermaterialerne med samarbejdspartnere på Hærens Forskningslaboratorium.

"I en fotodetektor, lys skaber elektroner. Elektroner kommer ud fra fotodetektoren som elektrisk strøm. Vi aflæser størrelsen af ​​denne strøm for at måle infrarødt lysintensitet, " hun siger.

"I denne kæde, vi ønsker, at alle elektronerne skal opsamles fra detektoren så effektivt som muligt. Men nogle gange går disse elektroner tabt inde i enheden og bliver aldrig opsamlet, " siger teammedlem Orkun Cellek, en elektroingeniør postdoc-forsker.

Zhang siger, at holdets brug af de nye materialer reducerer dette tab af optisk exciterede elektroner, hvilket øger elektronernes bærerlevetid med mere end 10 gange, hvad der er opnået ved andre kombinationer af materialer, der traditionelt anvendes i teknologien. Holderens levetid er en nøgleparameter, der tidligere har haft begrænset detektoreffektivitet.

En anden fordel er, at infrarøde fotodetektorer lavet af disse supergittermaterialer ikke behøver så meget køling. Sådanne enheder afkøles som en måde at reducere mængden af ​​uønsket strøm inde i enheder, der kan "begrave" elektriske signaler, siger Zhang.

Behovet for mindre køling reducerer mængden af ​​strøm, der er nødvendig for at betjene fotodetektorerne, hvilket vil gøre enhederne mere pålidelige og systemerne mere omkostningseffektive.

Forskere siger, at der stadig kan foretages forbedringer i lagdelingsdesignerne af de indviklede supergitterstrukturer og i udviklingen af ​​enhedsdesign, der gør det muligt for de nye kombinationer af materialer at fungere mest effektivt.

Fremskridtene lover at forbedre alt fra guidede våben og sofistikerede overvågningssystemer til industrielle og hjemmesikkerhedssystemer, brugen af ​​infrarød detektion til medicinsk billeddannelse og som et trafiksikkerhedsværktøj til kørsel om natten eller under sandstorme eller kraftig tåge.

"Du ville være i stand til at se tingene foran dig på vejen meget bedre end med nogen forlygter, " siger Cellek.