(Phys.org) — Een team van ingenieurs van de Universiteit van Pennsylvania heeft een patroon van nanoantennes gebruikt om een ​​nieuwe manier te ontwikkelen om infrarood licht om te zetten in mechanische actie. het openen van de deur naar gevoeligere infraroodcamera's en compactere chemische analysetechnieken.

Het onderzoek werd uitgevoerd door assistent-professor Ertugrul Cubukcu en postdoctoraal onderzoeker Fei Yi, samen met afgestudeerde studenten Hai Zhu en Jason C. Reed, alle van het Department of Material Science and Engineering in Penn's School of Engineering and Applied Science.

Het werd gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters .

Het detecteren van licht in het midden-infraroodbereik is belangrijk voor toepassingen zoals nachtzichtcamera's, maar het kan ook worden gebruikt om spectroscopie te doen, een techniek waarbij licht over een stof wordt verstrooid om de chemische samenstelling ervan af te leiden. Bestaande infrarooddetectoren gebruiken cryogeen gekoelde halfgeleiders, of thermische detectoren bekend als microbolometers, waarin veranderingen in elektrische weerstand kunnen worden gecorreleerd met temperaturen. Deze technieken hebben hun eigen voordelen, maar beide moeten duur zijn, omvangrijke apparatuur om gevoelig genoeg te zijn voor spectroscopietoepassingen.

"We wilden een optomechanische thermische infrarooddetector maken, ' zei Cubukcu. 'In plaats van veranderingen in weerstand, onze detector werkt door mechanische beweging te koppelen aan veranderingen in temperatuur."

Het voordeel van deze benadering is dat het de voetafdruk van een infraroodsensor zou kunnen verkleinen tot iets dat op een wegwerpbare siliciumchip zou passen. De onderzoekers fabriceerden zo'n apparaat in hun onderzoek.

De kern van het apparaat is een structuur op nanoschaal - ongeveer een tiende millimeter breed en vijf keer zo lang - gemaakt van een laag goud gebonden aan een laag siliciumnitride. De onderzoekers kozen deze materialen vanwege hun verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten, een parameter die bepaalt hoeveel een materiaal zal uitzetten bij verhitting. Omdat metalen van nature wat energie van infrarood licht omzetten in warmte, onderzoekers kunnen de hoeveelheid die het materiaal uitzet verbinden met de hoeveelheid infrarood licht die erop valt.

"Een enkele laag zou zijdelings uitzetten, maar onze twee lagen zijn beperkt omdat ze aan elkaar gehecht zijn, ' zei Cubukcu. 'De enige manier waarop ze kunnen uitbreiden is in de derde dimensie. In dit geval, dat betekent buigen naar de gouden kant, omdat goud de hogere thermische uitzettingscoëfficiënt heeft en meer zal uitzetten."

Om deze beweging te meten, de onderzoekers gebruikten een fiber interferometer. Een glasvezelkabel die naar boven gericht is op dit systeem, weerkaatst het licht van de onderkant van de siliciumnitridelaag, zodat de onderzoekers kunnen bepalen hoe ver de structuur naar boven is gebogen.

"We kunnen zien hoe ver de onderste laag is verplaatst op basis van dit gereflecteerde licht, "Zei Cubukcu. "We kunnen zelfs verplaatsingen zien die duizenden keren kleiner zijn dan een waterstofatoom."

Andere onderzoekers hebben op basis van dit principe optomechanische infraroodsensoren ontwikkeld, maar hun gevoeligheden waren relatief laag. Het apparaat van het Penn-team is in dit opzicht een verbetering door de toevoeging van "slot"-nanoantennes, holten die in de goudlaag zijn geëtst met tussenpozen die overeenkomen met golflengten van midden-infrarood licht.

"De infraroodstraling wordt geconcentreerd in de sleuven, dus je hebt geen extra materiaal nodig om deze antennes te maken, ' zei Cubukcu. 'We nemen exact hetzelfde platform en, door het te modelleren met deze nanoschaal antennes, de conversie-efficiëntie van de detector verbetert 10 keer."

De toevoeging van nanoantennes biedt het apparaat een bijkomend voordeel:de mogelijkheid om aan te passen voor welk type licht het gevoelig is door een ander patroon van sleuven op het oppervlak te etsen.

"Andere technieken kunnen alleen werken bij de maximale absorptie bepaald door het materiaal zelf, "Zei Yi. "Onze antennes kunnen worden ontworpen om op elke golflengte te absorberen."

Hoewel dit in dit stadium slechts een proof-of-concept is, toekomstig onderzoek zal de mogelijkheden van het apparaat aantonen als een goedkope manier om individuele eiwitten en gasmoleculen te analyseren.