Ingeniørers nanoantenner forbedrer infrarød sensing

(Phys.org) – Et team af ingeniører fra University of Pennsylvania har brugt et mønster af nanoantenner til at udvikle en ny måde at omdanne infrarødt lys til mekanisk handling, åbner døren til mere følsomme infrarøde kameraer og mere kompakte kemiske analyseteknikker.

Forskningen blev udført af adjunkt Ertugrul Cubukcu og postdoc-forsker Fei Yi, sammen med kandidatstuderende Hai Zhu og Jason C. Reed, alle af Institut for Materialevidenskab og Teknik i Penns School of Engineering and Applied Science.

Det blev offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver .

Detektering af lys i det mellem-infrarøde område er vigtigt for applikationer som nattesynskameraer, men det kan også bruges til at lave spektroskopi, en teknik, der involverer spredning af lys over et stof for at udlede dets kemiske sammensætning. Eksisterende infrarøde detektorer bruger kryogenisk afkølede halvledere, eller termiske detektorer kendt som mikrobolometre, hvor ændringer i elektrisk modstand kan korreleres med temperaturer. Disse teknikker har deres egne fordele, men begge kræver dyre, omfangsrigt udstyr til at være følsomt nok til spektroskopi applikationer.

"Vi satte os for at lave en optomekanisk termisk infrarød detektor, " sagde Cubukcu. "I stedet for ændringer i modstand, vores detektor fungerer ved at forbinde mekanisk bevægelse med ændringer i temperatur."

Fordelen ved denne tilgang er, at den kan reducere fodaftrykket af en infrarød sensorenhed til noget, der ville passe på en engangs siliciumchip. Forskerne fremstillede en sådan enhed i deres undersøgelse.

Kernen i enheden er en struktur i nanoskala - omkring en tiendedel millimeter bred og fem gange så lang - lavet af et lag guld bundet til et lag siliciumnitrid. Forskerne valgte disse materialer på grund af deres forskellige termiske udvidelseskoefficienter, en parameter, der bestemmer, hvor meget et materiale vil udvide sig, når det opvarmes. Fordi metaller naturligt vil omdanne noget energi fra infrarødt lys til varme, forskere kan forbinde mængden af ​​materialet udvider sig med mængden af ​​infrarødt lys, der rammer det.

"Et enkelt lag ville udvide sig sideværts, men vores to lag er begrænset, fordi de er knyttet til hinanden, " sagde Cubukcu. "Den eneste måde, de kan udvide på, er i den tredje dimension. I dette tilfælde, det betyder at bøje sig mod guldsiden, da guld har den højere termiske udvidelseskoefficient og vil udvide sig mere."

For at måle denne bevægelse, forskerne brugte et fiberinterferometer. Et fiberoptisk kabel, der peger opad på dette system, afviser lys fra undersiden af ​​siliciumnitridlaget, gør det muligt for forskerne at afgøre, hvor langt strukturen er bøjet opad.

"Vi kan se, hvor langt bundlaget har bevæget sig baseret på dette reflekterede lys, " sagde Cubukcu. "Vi kan endda se forskydninger, der er tusindvis af gange mindre end et brintatom."

Andre forskere har udviklet optomekaniske infrarøde sensorer baseret på dette princip, men deres følsomhed har været forholdsvis lav. Penn-teamets enhed er en forbedring i denne henseende på grund af inkluderingen af ​​"slot" nanoantenner, hulrum, der er ætset ind i guldlaget med intervaller, der svarer til bølgelængder af mellem-infrarødt lys.

"Den infrarøde stråling er koncentreret i spalterne, så du behøver ikke noget ekstra materiale for at lave disse antenner, " sagde Cubukcu. "Vi tager nøjagtig den samme platform og, ved at mønstre det med disse nanoskala antenner, konverteringseffektiviteten af ​​detektoren forbedres 10 gange."

Inkluderingen af ​​nanoantenner giver enheden en yderligere fordel:evnen til at skræddersy, hvilken type lys den er følsom over for ved at ætse et andet mønster af slidser på overfladen.

"Andre teknikker kan kun fungere ved den maksimale absorption bestemt af materialet selv, " sagde Yi. "Vores antenner kan konstrueres til at absorbere ved enhver bølgelængde."

Selvom det kun er et proof-of-concept på dette stadium, fremtidig forskning vil demonstrere enhedens evner som en billig måde at analysere individuelle proteiner og gasmolekyler på.