Biomimetisk fotodetektor ser i farve

(Phys.org) —Rice University-forskere har skabt en CMOS-kompatibel, biomimetisk farvefotodetektor, der reagerer direkte på rødt, grønt og blåt lys på nogenlunde samme måde som det menneskelige øje gør.

Den nye enhed blev oprettet af forskere ved Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP) og er beskrevet online i en ny undersøgelse i tidsskriftet Avancerede materialer . Det bruger et aluminiumsgitter, der kan tilføjes til siliciumfotodetektorer med siliciummikrochipindustriens grundpille -teknologi, "komplementær metaloxid halvleder, "eller CMOS.

Konventionelle fotodetektorer konverterer lys til elektriske signaler, men har ingen iboende farvefølsomhed. For at tage farvebilleder, fotodetektorproducenter skal tilføje farvefiltre, der kan adskille en scene til rødt, grønne og blå farvekomponenter. Denne farvefiltrering udføres sædvanligvis ved hjælp af off-chip dielektriske eller farvestoffarvefiltre, som nedbrydes under udsættelse for sollys og kan også være svært at justere med billedsensorer.

"Dagens farvefiltreringsmekanismer involverer ofte materialer, der ikke er CMOS-kompatible, men denne nye tilgang har fordele ud over on-chip integration, "sagde LANP -direktør Naomi Halas, hovedforsker ved undersøgelsen. "Det er også mere kompakt og enkelt og efterligner nærmere måden, hvorpå levende organismer 'ser' farver.

Biomimik var ikke tilfældigt. Farvefotodetektoren stammer fra et forskningsprogram på 6 millioner dollars finansieret af Office of Naval Research, der havde til formål at efterligne blækspruttehud ved hjælp af "metamaterialer, "forbindelser, der slører grænsen mellem materiale og maskine.

Blæksprutter som blæksprutter og blæksprutter er mestre i camouflage, men de er også farveblinde. Halas sagde forskerholdet "blækspruttehud", som omfatter havbiologer Roger Hanlon fra Marine Biological Laboratory in Woods Hole, Masse., og Thomas Cronin fra University of Maryland, Baltimore County, mistanke om, at blæksprutter kan registrere farve direkte gennem deres hud.

Baseret på denne hypotese, LANP -kandidatstuderende Bob Zheng, hovedforfatteren af ​​det nye Advanced Materials -studie, satte sig for at designe et fotonisk system, der kunne registrere farvet lys.

"Bob har skabt en biomimetisk detektor, der efterligner det, vi hypoteser blækspruttehuden ser, "Sagde Halas." Dette er et godt eksempel på den serendipitet, der kan forekomme i laboratoriet. I søgen efter et svar på et specifikt forskningsspørgsmål, Bob har skabt en enhed, der er langt mere praktisk og generelt anvendelig. "

Zhengs farvefotodetektor bruger en kombination af båndteknik og plasmoniske gitre, kamlignende aluminiumstrukturer med rækker af parallelle slidser. Ved hjælp af elektronstrålefordampning, som er en almindelig teknik i CMOS -behandling, Zheng aflejrede et tyndt lag aluminium på en siliciumfotodetektor toppet med en ultratynd oxidcoating.

Farvevalg udføres ved at udnytte interferenseffekter mellem det plasmoniske gitter og fotodetektorens overflade. Ved omhyggeligt at indstille oxidtykkelsen og slidsernes bredde og afstand, Zheng kunne fortrinsvis lede forskellige farver ind i siliciumfotodetektoren eller reflektere den tilbage i det frie rum.

De metalliske nanostrukturer bruger overfladeplasmoner - bølger af elektroner, der flyder som en væske hen over metaloverflader. Lys med en bestemt bølgelængde kan ophidse en plasmon, og LANP -forskere opretter ofte enheder, hvor plasmoner interagerer, nogle gange med dramatiske effekter.

"Med plasmoniske riste, ikke kun får du farveindstilling, du kan også forbedre nærmarkerne, "Sagde Zheng." Nærfeltinteraktionen øger absorptionstværsnittet, hvilket betyder, at gitteret fungerer som sit eget objektiv. Du får denne tragt af lys ind i et koncentreret område.

"Vi bruger ikke kun fotodetektoren som en forstærker, vi bruger også det plasmoniske farvefilter som en måde at øge mængden af ​​lys, der går ind i detektoren, " han sagde.