Nanokuber forenkler udskrivning og billeddannelse i farver og infrarød

Duke University-forskere mener, at de har overvundet en langvarig hindring for at producere billigere, mere robuste måder at printe og afbilde på tværs af en række farver, der strækker sig ind i det infrarøde.

Som enhver mantis-reje vil fortælle dig, der er en lang række "farver" langs det elektromagnetiske spektrum, som mennesker ikke kan se, men som giver et væld af information. Sensorer, der strækker sig ind i den infrarøde dåse, for eksempel, identificere tusindvis af planter og mineraler, diagnosticere kræft melanomer og forudsige vejrmønstre, simpelthen ved lysspektret, de reflekterer.

Nuværende billeddannelsesteknologier, der kan registrere infrarøde bølgelængder, er dyre og omfangsrige, kræver adskillige filtre eller komplekse samlinger foran en infrarød fotodetektor. Behovet for mekanisk bevægelse i sådanne enheder reducerer deres forventede levetid og kan være et ansvar under barske forhold, som dem, der opleves af satellitter.

I et nyt papir, et team af Duke-ingeniører afslører en fremstillingsteknik, der lover at bringe en forenklet form for multispektral billeddannelse i daglig brug. Fordi processen anvender eksisterende materialer og fremstillingsteknikker, der er billige og let skalerbare, det kan revolutionere enhver industri, hvor multispektral billedbehandling eller print bruges.

Resultaterne vises online den 14. december i tidsskriftet Avancerede materialer .

"Det er udfordrende at skabe sensorer, der kan registrere både det synlige spektrum og det infrarøde, sagde Maiken Mikkelsen, Nortel Networks Assistant Professor in Electrical and Computer Engineering and Physics hos Duke.

"Traditionelt har du brug for forskellige materialer, der absorberer forskellige bølgelængder, og det bliver meget dyrt, " sagde Mikkelsen. "Men med vores teknologi, Detektorernes svar er baseret på strukturelle egenskaber, som vi designer frem for et materiales naturlige egenskaber. Det, der virkelig er spændende, er, at vi kan parre dette med et fotodetektorskema for at kombinere billeddannelse i både det synlige spektrum og det infrarøde på en enkelt chip."

Den nye teknologi er afhængig af plasmonics - brugen af ​​fysiske fænomener i nanoskala til at fange visse lysfrekvenser.

Ingeniører fremstiller sølvterninger på kun 100 nanometer brede og placerer dem kun et par nanometer over en tynd guldfolie. Når indkommende lys rammer overfladen af ​​en nanokube, det ophidser sølvets elektroner, fanger lysets energi - men kun ved en bestemt frekvens.

Størrelsen af ​​sølvnanokuberne og deres afstand fra grundlaget af guld bestemmer denne frekvens, mens styring af afstanden mellem nanopartiklerne gør det muligt at justere styrken af ​​absorptionen. Ved præcist at skræddersy disse mellemrum, forskere kan få systemet til at reagere på en hvilken som helst specifik farve, de ønsker, hele vejen fra synlige bølgelængder ud til det infrarøde.

Udfordringen ingeniørerne står over for er, hvordan man bygger en nyttig enhed, der kunne være skalerbar og billig nok til at bruge i den virkelige verden. For det, Mikkelsen henvendte sig til sit forskerhold, herunder kandidatstuderende Jon Stewart.

"Lignende typer materialer er blevet demonstreret før, men de har alle brugt dyre teknikker, der har forhindret teknologien i at gå over til markedet, "sagde Stewart." Vi har fundet på en fabrikationsordning, der er skalerbar, har ikke brug for et rent rum og undgår at bruge million-dollar-maskiner, alt imens der opnås højere frekvensfølsomheder. Det har givet os mulighed for at gøre ting i marken, som ikke er blevet gjort før."

For at bygge en detektor, Mikkelsen og Stewart brugte en proces med lysætsning og klæbemidler til at mønstre nanokuberne til pixels, der indeholder forskellige størrelser af sølvnanokuber, og dermed hver især følsom over for en bestemt bølgelængde af lys. Når indgående lys rammer arrayet, hvert område reagerer forskelligt afhængigt af bølgelængden af ​​lys, det er følsomt over for. Ved at drille ud, hvordan hver del af arrayet reagerer, en computer kan rekonstruere hvilken farve det oprindelige lys var.

Teknikken kan også bruges til print, holdet viste. I stedet for at skabe pixels med seks sektioner, der er indstillet til at reagere på specifikke farver, de skabte pixels med tre streger, der afspejler tre farver:blå, grøn og rød. Ved at kontrollere de relative længder af hver stang, de kan diktere, hvilken kombination af farver pixlen afspejler. Det er en ny version af det klassiske RGB-skema, der blev brugt første gang i fotografering i 1861.

Men i modsætning til de fleste andre applikationer, det plasmoniske farveskema lover aldrig at falme med tiden og kan pålideligt gengives med stram nøjagtighed gang på gang. Det giver også sine brugere mulighed for at skabe farveskemaer i det infrarøde.

"Igen, den spændende del er at kunne printe i både synligt og infrarødt på det samme underlag, " sagde Mikkelsen. "Du kunne forestille dig at printe et billede med en skjult del i det infrarøde, eller endda dække et helt objekt for at skræddersy dets spektrale respons. "