Onderzoekers van Sandia National Laboratories, samen met medewerkers van de Rice University en het Tokyo Institute of Technology, ontwikkelen nieuwe terahertz-detectoren op basis van koolstofnanobuisjes die kunnen leiden tot aanzienlijke verbeteringen in medische beeldvorming, screening van luchthavenpassagiers, voedselinspectie en andere toepassingen.

Een papier in Nano-letters logboek, "Koolstof nanobuis Terahertz-detector, " debuteerde in de 29 mei-editie van de sectie "Just Accepted Manuscripts" van de publicatie. Het artikel beschrijft een techniek die koolstofnanobuizen gebruikt om licht in het terahertz-frequentiebereik te detecteren zonder koeling.

historisch, het terahertz-frequentiebereik - dat valt tussen de meer conventionele bereiken die worden gebruikt voor elektronica aan de ene kant en optica aan de andere kant - is veelbelovend geweest, samen met vervelende uitdagingen voor onderzoekers, zei François Léonard van Sandia, een van de auteurs.

"De fotonische energie in het terahertz-bereik is veel kleiner dan voor zichtbaar licht, en we hebben gewoon niet veel materialen om dat licht efficiënt te absorberen en om te zetten in een elektronisch signaal, "zei Léonard. "Dus we moeten op zoek naar andere benaderingen."

Terahertz-technologie biedt hoop in geneeskunde en andere toepassingen

Onderzoekers moeten dit technische probleem oplossen om te profiteren van de vele nuttige toepassingen van terahertz-straling, zei co-auteur Junichiro Kono van Rice University. Terahertz-golven, bijvoorbeeld, kan gemakkelijk stof en andere materialen binnendringen en zou minder indringende manieren kunnen bieden voor veiligheidsonderzoeken van mensen en vracht. Terahertz-beeldvorming kan ook worden gebruikt bij voedselinspectie zonder de voedselkwaliteit nadelig te beïnvloeden.

Misschien wel de meest opwindende toepassing aangeboden door terahertz-technologie, zei Kono, is als een potentiële vervanging voor magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) -technologie bij screening op kanker en andere ziekten.

"De mogelijke verbeteringen in grootte, gemak, kosten en mobiliteit van een op terahertz gebaseerde detector zijn fenomenaal, " zei hij. "Met deze technologie, je zou een draagbare terahertz-detectiecamera kunnen ontwerpen die tumoren in realtime in beeld brengt, met uiterste nauwkeurigheid. En het zou kunnen worden gedaan zonder de intimiderende aard van MRI-technologie."

Koolstofnanobuisjes kunnen de technische kloof helpen overbruggen

Sandia, zijn medewerkers en Léonard, vooral, bestuderen al jaren koolstofnanobuisjes en verwante nanomaterialen. In 2008, Léonard schreef The Physics of Carbon Nanotube Devices, die kijkt naar de experimentele en theoretische aspecten van koolstofnanobuisjes.

Koolstof nanobuisjes zijn lang, dunne cilinders die volledig uit koolstofatomen bestaan. Hoewel hun diameters in het bereik van 1 tot 10 nanometer liggen, ze kunnen tot enkele centimeters lang zijn. De koolstof-koolstofbinding is erg sterk, dus het is bestand tegen elke vorm van vervorming.

De wetenschappelijke gemeenschap is al lang geïnteresseerd in de terahertz-eigenschappen van koolstofnanobuizen, zei Leonard, maar vrijwel al het onderzoek tot nu toe was theoretisch of gebaseerd op computermodellen. Een handvol artikelen heeft terahertz-detectie onderzocht met behulp van koolstofnanobuisjes, maar die waren vooral gericht op het gebruik van een enkele of enkele bundel nanobuisjes.

Het probleem, Leonard zei, is dat terahertz-straling typisch een antenne vereist om koppeling in een enkele nanobuis te bereiken vanwege de relatief grote omvang van terahertz-golven. de Sandia, Rice University en Tokyo Institute of Technology onderzoeksteam, echter, een manier gevonden om een ​​kleine maar met het blote oog zichtbare detector te maken, ontwikkeld door Rice-onderzoeker Robert Hauge en afgestudeerde student Xiaowei He, die dunne films van koolstofnanobuisjes gebruikt zonder dat een antenne nodig is. De techniek is dus vatbaar voor eenvoudige fabricage en vertegenwoordigt een van de belangrijkste prestaties van het team, zei Leonard.

"Koolstof nanobuis dunne films zijn extreem goede absorptiemiddelen van elektromagnetisch licht, " legde hij uit. In het terahertz-bereik, het blijkt dat dunne films van deze nanobuisjes alle binnenkomende terahertz-straling zullen opnemen. Nanobuisfilms worden zelfs "het zwartste materiaal" genoemd vanwege hun vermogen om licht effectief te absorberen.

De onderzoekers waren in staat om verschillende buisjes van nanoscopisch formaat samen te wikkelen om een ​​macroscopische dunne film te creëren die een mix van metalen en halfgeleidende koolstofnanobuisjes bevat.

"Proberen dat te doen met een ander soort materiaal zou bijna onmogelijk zijn, omdat een halfgeleider en een metaal niet naast elkaar kunnen bestaan ​​op nanoschaal bij hoge dichtheid, " legde Kono uit. "Maar dat is wat we hebben bereikt met de koolstofnanobuisjes."

De techniek staat centraal, hij zei, omdat het de uitstekende terahertz-absorptie-eigenschappen van de metalen nanobuisjes en de unieke elektronische eigenschappen van de halfgeleidende koolstofnanobuisjes combineert. Hierdoor kunnen onderzoekers een fotodetector realiseren die geen stroom nodig heeft om te werken, met prestaties die vergelijkbaar zijn met bestaande technologie.

Een duidelijk pad naar prestatieverbetering

De volgende stap voor onderzoekers, Leonard zei, is om het ontwerp te verbeteren, engineering en prestaties van de terahertz-detector.

Bijvoorbeeld, ze moeten een onafhankelijke terahertz-stralingsbron integreren met de detector voor toepassingen die een bron vereisen, zei Leonard. Het team moet ook elektronica in het systeem opnemen en de eigenschappen van het koolstofnanobuisjesmateriaal verder verbeteren.

"We hebben een aantal zeer duidelijke ideeën over hoe we deze technische doelen kunnen bereiken, " zei Leonard, toevoegend dat nieuwe samenwerkingen met de industrie of overheidsinstanties welkom zijn.

"Onze technische prestaties openen een nieuwe weg voor terahertz-technologie, en ik ben bijzonder trots op het multidisciplinaire en collaboratieve karakter van dit werk in drie instellingen, " hij zei.

Naast Sandia, Rijst en Tokyo Tech, het project ontving bijdragen van onderzoekers die deelnamen aan NanoJapan, een zomerprogramma van 12 weken dat eerstejaars en tweedejaars natuurkunde- en ingenieursstudenten van Amerikaanse universiteiten in staat stelt om nanowetenschappelijke onderzoeksstages in Japan te voltooien, gericht op terahertz-nanowetenschap.