Nanotehnoloogiat kasutavad kullaga kaetud mikroläätsed parandavad infrapunakiirguse salvestamissignaali kuni 20 korda seejuures taustamüra suurendamata.
Rensselaneri Polütehnilise Instituudi teadurid on loonud uued nanotehnoloogia-põhised mikroläätsed, mis kasutavad kulda, et infrapuna pildisalvestust võrreldes praeguse tehnikaga tunduvalt parandada. Uuendused võivad viia uue generatsiooni ülivõimsate satelliidikaamerate ning öönägemisseadmeteni.
Kullaga kaetud detektoripind võimaldab sellele langevat valgust mikroskoopilistesse aukudesse koondada. Foto·: Rensselaneri Polütehniline Instituut
Kasutades kulla nanoskaalal ilmnevaid erilisi omadusi õnnestus teadlastel pigistada valgus detektori pinnal olevatesse väikestesse aukudesse. Kvanttäppide-põhine infrapunadetektori tundlikkus kasvas seeläbi kaks korda. Mõningate täiustustega loodavad teadurid uue tehnoloogia efektiivsust kuni 20 korda tõsta.
Shawn-Yu Lini, uurimustöö juhi hinnangul on infrapunavalguse püüdmise meetodite täiustamine praegusel hetkel äärmiselt prioriteetne. Potentsiaalselt võiks uut tehnoloogiat rakendada sõjavarustusest kliimamuutuste jälgimiseni. Lin on varem tuntust kogunud kui 2008. aastal maailma tumedaima materjali loojana kui ka päikesepatareidega, mis neelavad 99,9·% nendele langenud valgusest.
“Me näitasime, et sa võid kasutada nanoskoopilist kulda, et koondada infrapunadetektorile langevat valgust nii, et see parandab footonite neeldumist. Samas parandab see ka kvanttäppide võimet need footonid elektronideks muuta,” kommenteeris Lin.
Infrapuna fotodetektorite lahutusvõime määrab see, kui tugevat signaali see saab, jagatud sellega, kui palju taustamüra detektor ise põhjustab. Praeguste võimsaimate elavhõbe-kaadium-telluriidi (MCT) tehnoloogiat kasutavate fotodetektorite puuduseks on nõrga signaali korral ilmnev pikk säriaeg. Lin väidab oma uuringus, et tuleviku kvantäppe kasutavad fotodetektorid (QDIP) ületavad aga tundlikkuselt MCT-sidd ja täidab lünga, mis infrapunakiirguse salvestamistehnoloogiaid viimase aastakümne vältel kimbutanud on.
QDIP detektorite pinnakihid lamedad ja pikad lugematute väikeste aukudega. Detektori pinnastruktuur, mille Lin ehitas, on kaetud umbes 50 nanomeetri paksuse kullakihiga. Iga augu diameeter on 1,6 mikronit ning 1 mikron sügavad. Aukude põhjad on aga omakorda kaetud kvanttäppidega – nanoskaalas kristallidega, millel on unikaalsed optilised ning pooljuhi omadused.
Huvitaval kombel aitab aga QDIPi kullatud pind sellele langevat valgust niimoodi kooondada, et see suunatakse otse kvanttäppidega sillutatud mikroaukudesse. Seeläbi kontsentreeritud footonitevoog tugevdab aga lõksupüütud valguse ja kvanttäppide vahelist vastastikmõju ning parandab seega täppide võimet footonid elektronideks muuta. Lin’i seadme poolt tekitatav elektrivälja energia on ligikaudu 400·% korda suurem, kui QDIPi sisenev energiahulk.
Sama efekti võiks saavutada kattes iga QDIPi pinnal oleva augu läätsega, mis lisaks aga pinnale oma raskuse. Samuti tõstaks mikroläätsedega katmine ning nende kaliibreerimine fotodetektori hinda.
Lin’i töörühm näitas ka avaldatud artiklis, et pinna katmine kullaga ei mõjuta QDIP seadme reageerimisvõimet ega ei lisa ka müra. Järgmise sammuna plaanib Lin aukude diameetrit suurendada ja kvanttäppide asukohti suurema efektiivsuse saamiseks muuta.
Lin usub, et paari aasta pärast on võimalik ehitada detektoreid, mille signaal on 20 korda tugevam kui praegu·: “See on väga mõistlik eesmärk ning võib sillutada teed tervele põlvkonnale uutele tehnoloogiatele alates öönägemisprillidest kuni täpsemate meditsiiniliste seadmeteni.”
Allikad:
Nano Letters·: “A Surface Plasmon Enhanced Infrared Photodetector Based on InAs Quantum Dots.”
Rensselaneri Polütehnilise instituut·:·“New Nanotech Discovery at Rensselaer Polytechnic Institute Could Lead to Breakthrough in Infrared Satellite Imaging Technology.”