Onderzoekers van Duke University hebben fotodetectoren gedemonstreerd die een ongekend bereik van lichtfrequenties kunnen overspannen door gebruik te maken van spectrale filters op de chip die zijn gemaakt door op maat gemaakte elektromagnetische materialen. De combinatie van meerdere fotodetectoren met verschillende frequentieresponsen op een enkele chip zou lichtgewicht, goedkope multispectrale camera's voor toepassingen zoals kankerchirurgie, voedselveiligheidsinspectie en precisielandbouw.

Een typische camera vangt alleen zichtbaar licht op, dat is een kleine fractie van het beschikbare spectrum. Andere camera's zijn mogelijk gespecialiseerd in infrarode of ultraviolette golflengten, bijvoorbeeld, maar weinigen kunnen licht opvangen van ongelijksoortige punten langs het spectrum. En degenen die kunnen lijden aan een groot aantal nadelen, zoals ingewikkelde en onbetrouwbare fabricage, langzame functionele snelheden, omvang waardoor ze moeilijk te vervoeren zijn, en kost tot honderdduizenden dollars.

In onderzoek dat op 25 november online verschijnt in het tijdschrift Natuurmaterialen , Duke-onderzoekers demonstreren een nieuw type breedspectrumfotodetector die op een enkele chip kan worden geïmplementeerd. waardoor het in een paar biljoensten van een seconde een multispectraal beeld kan vastleggen en voor slechts tientallen dollars kan worden geproduceerd. De technologie is gebaseerd op de natuurkunde die plasmonica wordt genoemd - het gebruik van fysieke verschijnselen op nanoschaal om bepaalde lichtfrequenties op te vangen.

"Het ingesloten licht veroorzaakt een sterke temperatuurstijging, waardoor we deze coole maar bijna vergeten materialen kunnen gebruiken die pyro-elektriciteit worden genoemd, " zei Maiken Mikkelsen, de James N. en Elizabeth H. Barton universitair hoofddocent elektrische en computertechniek aan de Duke University. "Maar nu we ze hebben afgestoft en gecombineerd met de modernste technologie, we hebben deze ongelooflijk snelle detectoren kunnen maken die ook de frequentie van het binnenkomende licht kunnen detecteren."

Volgens Mikkelsen, commerciële fotodetectoren zijn eerder gemaakt met dit soort pyro-elektrische materialen, maar hebben altijd last gehad van twee grote nadelen. Ze hebben zich niet kunnen concentreren op specifieke elektromagnetische frequenties, en de dikke lagen pyro-elektrisch materiaal die nodig zijn om voldoende elektrisch signaal te creëren, hebben ervoor gezorgd dat ze met zeer lage snelheden werken.

"Maar onze plasmondetectoren kunnen op elke frequentie worden ingesteld en zoveel energie vasthouden dat ze behoorlijk veel warmte genereren, " zei Jon Stewart, een afgestudeerde student in het laboratorium van Mikkelsen en eerste auteur van het papier. "Door die efficiëntie hebben we maar een dun laagje materiaal nodig, wat het proces enorm versnelt."

Het vorige record voor detectietijden in elk type thermische camera met een on-chip filter, of het nu pyro-elektrische materialen gebruikt of niet, was 337 microseconden. Mikkelsens op plasmonics gebaseerde benadering leidde tot een signaal in slechts 700 picoseconden, dat is ongeveer 500, 000 keer sneller. Maar omdat die detectietijden beperkt waren door de experimentele instrumenten die werden gebruikt om ze te meten, de nieuwe fotodetectoren zouden in de toekomst nog sneller kunnen werken.

Om dit te bereiken, Mikkelsen en haar team maakten zilveren kubussen van slechts honderd nanometer breed en plaatsten ze op een transparante film, slechts enkele nanometers boven een dun laagje goud. Wanneer licht het oppervlak van een nanokubus raakt, het prikkelt de elektronen van het zilver, het vangen van de energie van het licht, maar alleen op een specifieke frequentie.

De grootte van de zilveren nanokubussen en hun afstand tot de basislaag van goud bepalen die frequentie, terwijl de hoeveelheid geabsorbeerd licht kan worden afgestemd door de afstand tussen de nanodeeltjes te regelen. Door deze maten en afstanden precies op maat te maken, onderzoekers kunnen het systeem laten reageren op elke elektromagnetische frequentie die ze willen.

Om dit fundamentele fysieke fenomeen te benutten voor een commerciële hyperspectrale camera, onderzoekers zouden een raster van kleine, individuele detectoren, elk afgestemd op een andere lichtfrequentie, in een grotere 'superpixel'.

In een stap in de richting van dat doel, het team demonstreert vier individuele fotodetectoren die zijn afgestemd op golflengten tussen 750 en 1900 nanometer. De plasmonische meta-oppervlakken absorberen energie van specifieke frequenties van binnenkomend licht en warmen op. De hitte veroorzaakt een verandering in de kristalstructuur van een dunne laag pyro-elektrisch materiaal, aluminiumnitride genaamd, die er direct onder zit. Die structurele verandering creëert een spanning, die vervolgens wordt gelezen door een onderste laag van een siliciumhalfgeleidercontact dat het signaal naar een computer verzendt om te analyseren.

"Het was helemaal niet duidelijk dat we dit konden doen, "zei Mikkelsen. "Het is eigenlijk verbazingwekkend dat niet alleen onze fotodetectoren werken, maar we zien nieuwe, onverwachte fysieke verschijnselen die ons in staat zullen stellen om te versnellen hoe snel we deze detectie kunnen doen met vele ordes van grootte."

Mikkelsen ziet verschillende mogelijke toepassingen voor commerciële camera's op basis van de technologie, omdat het proces dat nodig is om deze fotodetectoren te vervaardigen relatief snel is, goedkoop en schaalbaar.

Chirurgen kunnen tijdens de operatie multispectrale beeldvorming gebruiken om het verschil te zien tussen kankerweefsel en gezond weefsel. Voedsel- en waterveiligheidsinspecteurs zouden het kunnen gebruiken om te zien wanneer een kippenborst besmet is met gevaarlijke bacteriën.

Met de steun van een nieuwe Moore Inventor Fellowship van de Gordon and Betty Moore Foundation, Mikkelsen heeft haar zinnen gezet op precisielandbouw als eerste doel. Hoewel planten er met het blote oog misschien alleen groen of bruin uitzien, het licht buiten het zichtbare spectrum dat door hun bladeren wordt gereflecteerd, bevat een overvloed aan waardevolle informatie.

"Het verkrijgen van een 'spectrale vingerafdruk' kan een materiaal en zijn samenstelling precies identificeren, "zei Mikkelsen. "Het kan niet alleen het type plant aangeven, maar het kan ook zijn toestand bepalen, of het water nodig heeft, is gestrest of heeft een laag stikstofgehalte, geeft aan dat er behoefte is aan kunstmest. Het is werkelijk verbazingwekkend hoeveel we over planten kunnen leren door simpelweg een spectraal beeld ervan te bestuderen."

Hyperspectrale beeldvorming kan precisielandbouw mogelijk maken door kunstmest, pesticiden, herbiciden en water alleen te gebruiken waar nodig, water en geld besparen en vervuiling verminderen. Stel je een hyperspectrale camera voor die is gemonteerd op een drone die de toestand van een veld in kaart brengt en die informatie doorstuurt naar een tractor die is ontworpen om kunstmest of pesticiden met variabele snelheden over de velden te leveren.

Geschat wordt dat het proces dat momenteel wordt gebruikt om kunstmest te produceren verantwoordelijk is voor maximaal twee procent van het wereldwijde energieverbruik en tot drie procent van de wereldwijde uitstoot van kooldioxide. Tegelijkertijd, onderzoekers schatten dat 50 tot 60 procent van de geproduceerde kunstmest wordt verspild. Alleen rekening houdend met kunstmest, precisielandbouw heeft een enorm potentieel voor energiebesparing en broeikasgasreductie, om nog maar te zwijgen van de geschatte 8,5 miljard dollar aan directe kostenbesparingen per jaar, volgens het Amerikaanse ministerie van landbouw.

Verschillende bedrijven zijn al bezig met dit soort projecten. Bijvoorbeeld, IBM voert een proefproject uit in India waarbij satellietbeelden worden gebruikt om gewassen op deze manier te beoordelen. Deze aanpak, echter, is erg duur en beperkend, daarom heeft Mikkelsen een goedkope, handheld detector die akkers vanaf de grond of vanaf goedkope drones in beeld kan brengen.

"Stel je de impact voor, niet alleen in de Verenigde Staten, maar ook in lage- en middeninkomenslanden waar er vaak een tekort is aan kunstmest en water, "zei Mikkelsen. "Door te weten waar die schaarse middelen moeten worden toegepast, we kunnen de gewasopbrengst aanzienlijk verhogen en honger helpen verminderen."