Udvikling af terahertz -detektorer med carbon nanorør:Forbedringer i MR'er i horisonten

Forskere ved Sandia National Laboratories, sammen med samarbejdspartnere fra Rice University og Tokyo Institute of Technology, udvikler nye terahertz -detektorer baseret på carbon nanorør, der kan føre til betydelige forbedringer i medicinsk billeddannelse, screening af lufthavnspassagerer, fødevarekontrol og andre applikationer.

Et papir i Nano bogstaver tidsskrift, "Carbon Nanorør Terahertz -detektor, "debuterede i 29. maj -udgaven af ​​publikationens sektion" Bare accepterede manuskripter ". Papiret beskriver en teknik, der bruger kulnanorør til at detektere lys i terahertz -frekvensområdet uden afkøling.

Historisk set terahertz -frekvensområdet - der falder mellem de mere konventionelle intervaller, der bruges til elektronik i den ene ende og optik i den anden - har givet store løfter sammen med irriterende udfordringer for forskere, sagde Sandias François Léonard, en af ​​forfatterne.

"Den fotoniske energi i terahertz -området er meget mindre end for synligt lys, og vi har simpelthen ikke mange materialer til effektivt at absorbere det lys og konvertere det til et elektronisk signal, "sagde Léonard." Så vi skal lede efter andre tilgange. "

Terahertz -teknologi giver håb i medicin og andre applikationer

Forskere skal løse dette tekniske problem for at drage fordel af de mange gavnlige anvendelser for terahertz -stråling, sagde medforfatter Junichiro Kono fra Rice University. Terahertz bølger, for eksempel, let kan trænge igennem stof og andre materialer og kunne give mindre påtrængende måder til sikkerhedsundersøgelser af mennesker og gods. Terahertz -billeddannelse kan også bruges i fødevarekontrol uden at påvirke fødevarekvaliteten negativt.

Måske den mest spændende applikation, der tilbydes af terahertz -teknologi, sagde Kono, er som en potentiel erstatning for magnetisk resonans imaging (MRI) teknologi til screening for kræft og andre sygdomme.

"De potentielle forbedringer i størrelse, lethed, omkostninger og mobilitet af en terahertz-baseret detektor er fænomenal, "sagde han." Med denne teknologi, du kunne tænkes at designe et håndholdt terahertz-detekteringskamera, der viser tumorer i realtid, med præcis nøjagtighed. Og det kunne gøres uden den skræmmende karakter af MR -teknologi. "

Carbon nanorør kan hjælpe med at bygge bro over det tekniske hul

Sandia, dets samarbejdspartnere og Léonard, i særdeleshed, har studeret carbon nanorør og beslægtede nanomaterialer i årevis. I 2008, Léonard forfattede The Physics of Carbon Nanotube Devices, som ser på de eksperimentelle og teoretiske aspekter af carbon nanorør -enheder.

Carbon nanorør er lange, tynde cylindre, der udelukkende består af carbonatomer. Mens deres diametre er i området 1- til 10-nanometer, de kan blive op til flere centimeter lange. Kulstof-kulstofbindingen er meget stærk, så den modstår enhver form for deformation.

Det videnskabelige samfund har længe været interesseret i terahertz -egenskaberne af carbon nanorør, sagde Léonard, men stort set al forskning til dato har været teoretisk eller computermodelbaseret. En håndfuld papirer har undersøgt terahertz -sensing ved hjælp af kulstofnanorør, men de har hovedsageligt fokuseret på brugen af ​​et enkelt eller enkelt bundt nanorør.

Problemet, Léonard sagde, er, at terahertz -stråling typisk kræver en antenne for at opnå kobling til et enkelt nanorør på grund af den relativt store størrelse af terahertz -bølger. Sandia, Rice University og Tokyo Institute of Technology research team, imidlertid, fundet en måde at oprette en lille, men synlig for det blotte øje detektor, udviklet af risforsker Robert Hauge og kandidatstuderende Xiaowei He, der bruger tynde film af carbon nanorør uden at kræve en antenne. Teknikken er således modtagelig for enkel fabrikation og repræsenterer en af ​​holdets vigtigste præstationer, Sagde Léonard.

"Tynde film af nanorør af kulstof er ekstremt gode absorbere af elektromagnetisk lys, "forklarede han. I terahertz -området, det viser sig, at tynde film af disse nanorør vil opsuge al den indkommende terahertz -stråling. Nanorørfilm er endda blevet kaldt "det sorteste materiale" for deres evne til at absorbere lys effektivt.

Forskerne var i stand til at pakke flere rør i nanoskopisk størrelse sammen for at skabe en makroskopisk tynd film, der indeholder en blanding af metalliske og halvledende carbon nanorør.

"At prøve at gøre det med en anden slags materiale ville være næsten umuligt, da en halvleder og et metal ikke kunne sameksistere på nanoskalaen ved høj densitet, "forklarede Kono." Men det er det, vi har opnået med carbon -nanorørene. "

Teknikken er nøglen, han sagde, fordi den kombinerer de suveræne terahertz absorptionsegenskaber for de metalliske nanorør og de unikke elektroniske egenskaber ved de halvledende carbon nanorør. Dette gør det muligt for forskere at opnå en fotodetektor, der ikke kræver strøm til at fungere, med ydelse, der kan sammenlignes med eksisterende teknologi.

En klar vej til præstationsforbedring

Det næste trin for forskere, Léonard sagde, er at forbedre designet, konstruktion og ydelse af terahertz -detektoren.

For eksempel, de skal integrere en uafhængig terahertz -strålingskilde med detektoren til applikationer, der kræver en kilde, Sagde Léonard. Teamet skal også integrere elektronik i systemet og yderligere forbedre egenskaberne ved carbon nanorørmaterialet.

"Vi har nogle meget klare ideer om, hvordan vi kan nå disse tekniske mål, "sagde Léonard, tilføjer, at nye samarbejder med industrien eller offentlige instanser er velkomne.

"Vores tekniske præstationer åbner en ny vej for terahertz -teknologi, og jeg er særlig stolt over det tværfaglige og samarbejdende ved dette arbejde på tværs af tre institutioner, " han sagde.

Udover Sandia, Rice og Tokyo Tech, projektet modtog bidrag fra forskere, der deltog i NanoJapan, et 12-ugers sommerprogram, der giver fysik- og ingeniørstuderende fra første og fjerde år fra amerikanske universiteter mulighed for at gennemføre praktikophold i nanovidenskab i Japan med fokus på terahertz nanovidenskab.