Nanostrukturer smager regnbuen

Ingeniører hos Caltech har for første gang udviklet en lysdetektor, der kombinerer to forskellige teknologier - nanofotonik, som manipulerer lys i nanoskalaen, og termoelektrisk som oversætter temperaturforskelle direkte til elektronspænding - for at skelne forskellige bølgelængder (farver) af lys, herunder både synlige og infrarøde bølgelængder ved høj opløsning.

Lysdetektorer, der skelner mellem forskellige farver af lys eller varme, bruges i en række forskellige applikationer, herunder satellitter, der studerer skiftende vegetation og landskab på jorden og medicinske imagers, der skelner mellem raske og kræftceller baseret på deres farvevariationer.

Den nye detektor, beskrevet i et papir i Naturnanoteknologi den 22. maj, fungerer omkring 10 til 100 gange hurtigere end nuværende sammenlignelige termoelektriske enheder og er i stand til at detektere lys på tværs af et bredere område af det elektromagnetiske spektrum end traditionelle lysdetektorer. I traditionelle lysdetektorer, indgående fotoner af lys absorberes i en halvleder og ophidser elektroner, der fanges af detektoren. Bevægelsen af ​​disse lys-eksiterede elektroner producerer en elektrisk strøm-et signal-der kan måles og kvantificeres. Selvom det er effektivt, denne type system gør det svært at "se" infrarødt lys, som består af fotoner med lavere energi end dem i synligt lys.

Fordi de nye detektorer potentielt er i stand til at fange infrarøde bølgelængder af sollys og varme, der ikke kan opsamles effektivt af konventionelle solmaterialer, teknologien kan føre til bedre solceller og billeddannelsesenheder.

"I nanofotonik, vi studerer den måde lys interagerer med strukturer, der er meget mindre end selve den optiske bølgelængde, hvilket resulterer i ekstrem begrænsning af lys. I dette arbejde, vi har kombineret denne egenskab med termoelektriske egenskaber for strømkonvertering for at muliggøre en ny type optoelektronisk enhed, "siger Harry Atwater, tilsvarende forfatter til undersøgelsen. Atwater er Howard Hughes professor i anvendt fysik og materialevidenskab i afdelingen for teknik og anvendt videnskab ved Caltech, og direktør for Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP). JCAP er et Energy Innovation Hub, Department of Energy (DOE), der fokuserer på at udvikle en omkostningseffektiv metode til at vende sollys, vand, og kuldioxid til brændstof. Det ledes af Caltech med Berkeley Lab som en stor partner.

Atwaters team byggede materialer med nanostrukturer, der er hundredvis af nanometer brede - mindre end end lysets bølgelængder, der repræsenterer det synlige spektrum, som spænder fra omkring 400 til 700 nanometer.

Forskerne skabte nanostrukturer med forskellige bredder, der absorberer forskellige bølgelængder - farver - af lys. Når disse nanostrukturer absorberer lys, de genererer en elektrisk strøm med en styrke, der svarer til den lysbølgelængde, der absorberes.

Detektorerne blev fremstillet i Kavli Nanoscience Institute cleanroom i Caltech, hvor teamet skabte subbølgelængde strukturer ved hjælp af en kombination af dampaflejring (som kondenserer atom-tynde lag af materiale på en overflade fra en elementrig tåge) og elektronstråle litografi (som derefter skærer nanoskala mønstre i det materiale ved hjælp af en fokuseret stråle af elektroner ). Strukturerne, som resonerer og genererer et signal, når de absorberer fotoner med specifikke bølgelængder, blev skabt af legeringer med velkendte termoelektriske egenskaber, men forskningen kan anvendes på en lang række materialer, siger forfatterne.

"Denne forskning er en bro mellem to forskningsområder, nanofotonik og termoelektrisk, der ikke ofte interagerer, og skaber en mulighed for samarbejde, "siger kandidatstuderende Kelly Mauser (MS '16), hovedforfatter til Naturnanoteknologi undersøgelse. "Der er en overflod af uudforskede og spændende anvendelses- og forskningsmuligheder ved krydset mellem disse to felter."

Undersøgelsen har titlen "Resonant thermoelectric nanophotonics."