Onderzoekers van het Rensselaer Polytechnic Institute hebben een nieuwe op nanotechnologie gebaseerde "microlens" ontwikkeld die goud gebruikt om de sterkte van infraroodbeeldvorming te vergroten en zou kunnen leiden tot een nieuwe generatie ultrakrachtige satellietcamera's en nachtkijkers.

Door gebruik te maken van de unieke eigenschappen van goud op nanoschaal om licht in kleine gaatjes in het oppervlak van het apparaat te "persen", de onderzoekers hebben de detectiviteit van een op kwantumdots gebaseerde infrarooddetector verdubbeld. Met enkele verfijningen, de onderzoekers verwachten dat deze nieuwe technologie de detectiviteit tot 20 keer moet kunnen verbeteren.

Deze studie is de eerste in meer dan tien jaar die succes aantoont bij het verbeteren van het signaal van een infrarooddetector zonder ook de ruis te vergroten, zei projectleider Shawn-Yu Lin, hoogleraar natuurkunde aan Rensselaer en lid van het onderzoekscentrum Future Chips Constellation en Smart Lighting Engineering van de universiteit.

"Infrarooddetectie is momenteel een grote prioriteit, aangezien een effectievere infraroodtechnologie voor satellietbeeldvorming het potentieel heeft om van alles te profiteren, van binnenlandse veiligheid tot het monitoren van klimaatverandering en ontbossing, " zei Lin, die in 2008 's werelds donkerste materiaal creëerde, evenals een coating voor zonnepanelen die 99,9 procent van het licht vanuit bijna alle hoeken absorbeert.

"We hebben aangetoond dat je nanoscopisch goud kunt gebruiken om het licht dat een infrarooddetector binnenkomt te focussen, wat op zijn beurt de absorptie van fotonen verbetert en ook het vermogen van de ingebedde kwantumstippen om die fotonen om te zetten in elektronen vergroot. Dit soort gedrag is nog nooit eerder gezien, " hij zei.

Resultaten van de studie, getiteld "A Surface Plasmon Enhanced Infrared Photodetector Based on InAs Quantum Dots, " werden onlangs online gepubliceerd door het tijdschrift Nano-letters . Het papier zal ook verschijnen in een volgende uitgave van de gedrukte editie van het tijdschrift. Het U.S. Air Force Office of Scientific Research financierde deze studie.

De detectiviteit van een infrarood fotodetector wordt bepaald door hoeveel signaal het ontvangt, gedeeld door het geluid dat het ontvangt. De huidige stand van de techniek op het gebied van fotodetectoren is gebaseerd op kwik-cadmium-telluride (MCT)-technologie, die een sterk signaal heeft, maar met verschillende uitdagingen wordt geconfronteerd, waaronder lange belichtingstijden voor beeldvorming met een laag signaal. Lin zei dat zijn nieuwe studie een routekaart creëert voor de ontwikkeling van kwantumdot-infraroodfotodetectoren (QDIP) die beter kunnen presteren dan MCT's, en overbrug de innovatiekloof die de vooruitgang van infraroodtechnologie in het afgelopen decennium heeft belemmerd.

De oppervlakteplasmon QDIP's zijn lang, platte structuren met talloze kleine gaatjes aan de oppervlakte. Het vaste oppervlak van de structuur die Lin bouwde, is bedekt met ongeveer 50 nanometer - of 50 miljardste van een meter - goud. Elk gat is ongeveer 1,6 micron - of 1,6 miljoenste van een meter - in diameter, en 1 micron diep. De gaten zijn gevuld met kwantumstippen, Dit zijn kristallen op nanoschaal met unieke optische en halfgeleidereigenschappen.

De interessante eigenschappen van het gouden oppervlak van de QDIP helpen om binnenkomend licht direct in de microschaalgaten te concentreren en dat licht effectief te concentreren in de pool van kwantumstippen. Deze concentratie versterkt de interactie tussen het ingesloten licht en de quantum dots, en versterkt op zijn beurt het vermogen van de stippen om die fotonen om te zetten in elektronen. Het eindresultaat is dat het apparaat van Lin een elektrisch veld creëert dat tot 400 procent sterker is dan de ruwe energie die de QDIP binnenkomt.

Het effect is vergelijkbaar met wat het gevolg zou zijn van het afdekken van elk klein gaatje op de QDIP met een lens, maar zonder het extra gewicht, en minus het gedoe en de kosten van het installeren en kalibreren van miljoenen microscopische lenzen, zei Lin.

Lin's team toonde ook in het tijdschriftpapier aan dat de nanoschaal van goud op de QDIP geen ruis toevoegt of de responstijd van het apparaat negatief beïnvloedt. Lin is van plan door te gaan met het aanscherpen van deze nieuwe technologie en goud te gebruiken om de detectiviteit van de QDIP te vergroten, door zowel de diameter van de oppervlaktegaten te vergroten als door de kwantumstippen effectiever te plaatsen.

"Ik denk dat, binnen enkele jaren, we zullen een op goud gebaseerd QDIP-apparaat kunnen maken met een 20-voudige verbetering van het signaal van wat we vandaag hebben, Lin zei. "Het is een heel redelijk doel, en zou een geheel nieuwe reeks toepassingen kunnen openen, van betere nachtkijkers voor soldaten tot nauwkeurigere medische beeldvormingsapparatuur."