Onderzoekers van de Arizona State University vinden manieren om de infraroodfotodetectortechnologie te verbeteren die essentieel is voor nationale defensie- en veiligheidssystemen. maar ook steeds vaker gebruikt in commerciële toepassingen en consumentenproducten.

Een belangrijke vooruitgang wordt gerapporteerd in een recent artikel in het tijdschrift Technische Natuurkunde Brieven . Het beschrijft de ontdekking van hoe infrarood fotodetectie effectiever kan worden gedaan door bepaalde materialen te gebruiken die in specifieke patronen zijn gerangschikt in structuren op atomaire schaal.

Het wordt bereikt door meerdere ultradunne lagen van de materialen te gebruiken die slechts enkele nanometers dik zijn. In elke laag worden kristallen gevormd. Deze gelaagde structuren worden vervolgens gecombineerd om zogenaamde "superroosters" te vormen.

Fotodetectoren gemaakt van verschillende kristallen absorberen verschillende golflengten van licht en zetten deze om in een elektrisch signaal. De conversie-efficiëntie die door deze kristallen wordt bereikt, bepaalt de gevoeligheid van een fotodetector en de kwaliteit van de detectie die het biedt, legt elektrotechnisch ingenieur Yong-Hang Zhang uit.

De unieke eigenschap van de superroosters is dat hun detectiegolflengten breed kunnen worden afgestemd door het ontwerp en de samenstelling van de gelaagde structuren te veranderen. De precieze rangschikking van de nanoschaalmaterialen in superroosterstructuren helpt de gevoeligheid van infrarooddetectoren te verbeteren, zegt Zhang.

Zhang is een professor aan de School of Electrical, Computer- en energietechniek, een van ASU's Ira A. Fulton Schools of Engineering. Hij leidt het onderzoek naar infraroodtechnologie in ASU's Center for Photonics Innovation.

Aanvullend onderzoek op dit gebied wordt ondersteund door een subsidie ​​van het Air Force Office of Scientific Research en een nieuw Multidisciplinair University Research Initiative (MURI)-programma opgezet door het U.S. Army Research Office. ASU is een partner in het programma dat wordt geleid door de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign.

Het MURI-programma stelt de groep van Zhang in staat haar werk te versnellen door samen te werken met David Smith, een professor in de afdeling Natuurkunde in ASU's College of Liberal Arts and Sciences, en Shane Johnson, een senior onderzoeker in de technische scholen van de ASU.

Het team gebruikt een combinatie van indiumarsenide en indiumarsenide-antimonide om de superroosterstructuren te bouwen. Door de combinatie kunnen apparaten foto-elektronen genereren die nodig zijn voor detectie en beeldvorming van infraroodsignalen, zegt Elisabeth Steenbergen, een doctoraatsstudent elektrotechniek die experimenten uitvoerde op de supperroostermaterialen met medewerkers van het Army Research Lab.

"In een fotodetector, licht creëert elektronen. Elektronen komen uit de fotodetector als elektrische stroom. We lezen de grootte van deze stroom af om de intensiteit van infrarood licht te meten, " ze zegt.

"In deze keten we willen dat alle elektronen zo efficiënt mogelijk van de detector worden verzameld. Maar soms gaan deze elektronen verloren in het apparaat en worden ze nooit verzameld, " zegt teamlid Orkun Cellek, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker elektrotechniek.

Zhang zegt dat het gebruik van de nieuwe materialen door het team dit verlies van optisch geëxciteerde elektronen vermindert. die de levensduur van de elektronendrager met meer dan 10 keer verlengt wat is bereikt door andere combinaties van materialen die traditioneel in de technologie worden gebruikt. De levensduur van de drager is een belangrijke parameter die in het verleden de efficiëntie van de detectoren heeft beperkt.

Een ander voordeel is dat infrarood fotodetectoren gemaakt van deze superroostermaterialen niet zo veel koeling nodig hebben. Dergelijke apparaten worden gekoeld om de hoeveelheid ongewenste stroom in de apparaten te verminderen die elektrische signalen kunnen "begraven", zegt Zhang.

De behoefte aan minder koeling vermindert de hoeveelheid stroom die nodig is om de fotodetectoren te laten werken, waardoor de apparaten betrouwbaarder en de systemen kosteneffectiever worden.

Onderzoekers zeggen dat er nog steeds verbeteringen kunnen worden aangebracht in de gelaagdheidsontwerpen van de ingewikkelde superroosterstructuren en bij het ontwikkelen van apparaatontwerpen waarmee de nieuwe combinaties van materialen het meest effectief kunnen werken.

De vooruitgang belooft alles te verbeteren, van geleide wapens en geavanceerde bewakingssystemen tot industriële en thuisbeveiligingssystemen, het gebruik van infrarooddetectie voor medische beeldvorming en als verkeersveiligheidsinstrument bij het rijden 's nachts of tijdens zandstormen of dichte mist.

"Je zou de dingen die voor je liggen op de weg veel beter kunnen zien dan met koplampen, ' zegt Cellek.