(Phys.org) —Rice University-onderzoekers hebben een CMOS-compatibel, biomimetische kleurenfotodetector die direct reageert op rood, groen en blauw licht op vrijwel dezelfde manier als het menselijk oog.

Het nieuwe apparaat is gemaakt door onderzoekers van Rice's Laboratory for Nanophotonics (LANP) en wordt online beschreven in een nieuwe studie in het tijdschrift Geavanceerde materialen . Het maakt gebruik van een aluminium rooster dat kan worden toegevoegd aan siliciumfotodetectoren met de steunpilaartechnologie van de siliciummicrochipindustrie, "complementaire metaaloxide halfgeleider, " of CMOS.

Conventionele fotodetectoren zetten licht om in elektrische signalen, maar hebben geen inherente kleurgevoeligheid. Om kleurenafbeeldingen vast te leggen, makers van fotodetectoren moeten kleurfilters toevoegen die een scène kunnen scheiden in rood, groene en blauwe kleurcomponenten. Deze kleurfiltering wordt gewoonlijk gedaan met behulp van off-chip diëlektrische of kleurstoffilters, die degraderen onder blootstelling aan zonlicht en ook moeilijk kunnen worden uitgelijnd met beeldsensoren.

"De huidige kleurfiltermechanismen hebben vaak betrekking op materialen die niet CMOS-compatibel zijn, maar deze nieuwe aanpak heeft voordelen die verder gaan dan integratie op de chip, " zei LANP-directeur Naomi Halas, de hoofdwetenschapper van het onderzoek. "Het is ook compacter en eenvoudiger en bootst beter de manier na waarop levende organismen kleuren 'zien'.

Biomimicry was geen toeval. De kleurenfotodetector was het resultaat van een onderzoeksprogramma van $ 6 miljoen, gefinancierd door het Office of Naval Research, dat tot doel had de huid van koppotigen na te bootsen met behulp van "metamaterialen, "compounds die de grens tussen materiaal en machine vervagen.

Koppotigen zoals octopus en inktvis zijn meesters in camouflage, maar ze zijn ook kleurenblind. Halas zei dat het onderzoeksteam "inktvishuid" waaronder mariene biologen Roger Hanlon van het Marine Biological Laboratory in Woods Hole, Massa., en Thomas Cronin van de Universiteit van Maryland, Baltimore County, vermoeden dat koppotigen kleur direct via hun huid kunnen detecteren.

Op basis van die hypothese, LANP-afgestudeerde student Bob Zheng, de hoofdauteur van de nieuwe Advanced Materials-studie, wilde een fotonisch systeem ontwerpen dat gekleurd licht zou kunnen detecteren.

"Bob heeft een biomimetische detector gemaakt die emuleert wat we veronderstellen dat de inktvishuid 'ziet, '" zei Halas. "Dit is een geweldig voorbeeld van de serendipiteit die in het laboratorium kan optreden. Bij het zoeken naar een antwoord op een specifieke onderzoeksvraag, Bob heeft een apparaat gemaakt dat veel praktischer en algemeen toepasbaar is."

De kleurenfotodetector van Zheng maakt gebruik van een combinatie van bandtechniek en plasmonische roosters, kamvormige aluminium constructies met rijen parallelle sleuven. Met behulp van elektronenbundelverdamping, wat een veelgebruikte techniek is bij CMOS-verwerking, Zheng deponeerde een dunne laag aluminium op een siliciumfotodetector met daarop een ultradunne oxidecoating.

Kleurselectie wordt uitgevoerd door gebruik te maken van interferentie-effecten tussen het plasmonische rooster en het oppervlak van de fotodetector. Door de oxidedikte en de breedte en afstand van de spleten zorgvuldig af te stemmen, Zheng was in staat om bij voorkeur verschillende kleuren in de siliciumfotodetector te richten of terug te reflecteren in de vrije ruimte.

De metalen nanostructuren maken gebruik van oppervlakteplasmonen - golven van elektronen die als een vloeistof over metalen oppervlakken stromen. Licht van een bepaalde golflengte kan een plasmon opwekken, en LANP-onderzoekers maken vaak apparaten waar plasmonen op elkaar inwerken, soms met dramatische effecten.

"Met plasmonische roosters, u krijgt niet alleen kleurafstembaarheid, je kunt ook nabije velden verbeteren, " zei Zheng. "De interactie in het nabije veld verhoogt de absorptiedoorsnede, wat betekent dat het rooster als zijn eigen lens fungeert. Je krijgt deze trechter van licht in een geconcentreerd gebied.

"We gebruiken de fotodetector niet alleen als versterker, we gebruiken ook het plasmonische kleurenfilter als een manier om de hoeveelheid licht die in de detector gaat te vergroten, " hij zei.