Onderzoekers van de Duke University geloven dat ze een langdurige hindernis hebben overwonnen om goedkoper, robuustere manieren om af te drukken en afbeeldingen te maken in een reeks kleuren die zich uitstrekken tot in het infrarood.

Zoals elke bidsprinkhaangarnaal je zal vertellen, er is een breed scala aan "kleuren" langs het elektromagnetische spectrum die mensen niet kunnen zien, maar die een schat aan informatie bieden. Sensoren die zich uitstrekken tot in het infrarood kunnen, bijvoorbeeld, identificeren duizenden planten en mineralen, kankerachtige melanomen diagnosticeren en weerpatronen voorspellen, gewoon door het spectrum van licht dat ze reflecteren.

De huidige beeldtechnologieën die infrarode golflengten kunnen detecteren, zijn duur en omvangrijk, waarvoor talrijke filters of complexe assemblages nodig zijn voor een infraroodfotodetector. De noodzaak van mechanische beweging in dergelijke apparaten vermindert hun verwachte levensduur en kan een verplichting zijn in zware omstandigheden, zoals die door satellieten worden ervaren.

In een nieuwe krant een team van Duke-ingenieurs onthult een fabricagetechniek die belooft een vereenvoudigde vorm van multispectrale beeldvorming in het dagelijks gebruik te brengen. Omdat het proces gebruik maakt van bestaande materialen en fabricagetechnieken die goedkoop en gemakkelijk schaalbaar zijn, het zou een revolutie teweeg kunnen brengen in elke industrie waar multispectrale beeldvorming of printen wordt gebruikt.

De resultaten verschijnen 14 december online in het tijdschrift Geavanceerde materialen .

"Het is een uitdaging om sensoren te maken die zowel het zichtbare spectrum als het infrarood kunnen detecteren, " zei Maiken Mikkelsen, de Nortel Networks-assistent-professor elektrische en computertechniek en natuurkunde aan Duke.

"Traditioneel heb je verschillende materialen nodig die verschillende golflengten absorberen, en dat wordt erg duur, " zei Mikkelsen. "Maar met onze technologie, de reacties van de detectoren zijn gebaseerd op structurele eigenschappen die we ontwerpen in plaats van op de natuurlijke eigenschappen van een materiaal. Wat echt opwindend is, is dat we dit kunnen combineren met een fotodetectorschema om beeldvorming in zowel het zichtbare spectrum als het infrarood op een enkele chip te combineren."

De nieuwe technologie is gebaseerd op plasmonica - het gebruik van fysieke verschijnselen op nanoschaal om bepaalde lichtfrequenties op te vangen.

Ingenieurs maken zilveren kubussen van slechts 100 nanometer breed en plaatsen ze slechts enkele nanometers boven een dunne goudfolie. Wanneer invallend licht het oppervlak van een nanokubus raakt, het prikkelt de elektronen van het zilver, het vangen van de energie van het licht, maar alleen op een bepaalde frequentie.

De grootte van de zilveren nanokubussen en hun afstand tot de basislaag van goud bepaalt die frequentie, terwijl het regelen van de afstand tussen de nanodeeltjes het mogelijk maakt om de sterkte van de absorptie af te stemmen. Door deze afstanden precies op maat te maken, onderzoekers kunnen het systeem laten reageren op elke specifieke kleur die ze willen, helemaal van zichtbare golflengten tot het infrarood.

De uitdaging voor de ingenieurs is hoe ze een bruikbaar apparaat kunnen bouwen dat schaalbaar en goedkoop genoeg is om in de echte wereld te gebruiken. Daarom, Mikkelsen wendde zich tot haar onderzoeksteam, waaronder afgestudeerde student Jon Stewart.

"Vergelijkbare soorten materialen zijn al eerder aangetoond, maar ze hebben allemaal dure technieken gebruikt die ervoor zorgden dat de technologie niet op de markt kwam, " zei Stewart. "We hebben een fabricageschema bedacht dat schaalbaar is, heeft geen cleanroom nodig en vermijdt het gebruik van miljoenen dollars machines, dit alles terwijl hogere frequentiegevoeligheden worden bereikt. Het heeft ons in staat gesteld om dingen in het veld te doen die nog niet eerder zijn gedaan."

Om een ​​detector te bouwen, Mikkelsen en Stewart gebruikten een proces van licht etsen en lijmen om de nanokubussen te modelleren in pixels met zilveren nanokubussen van verschillende groottes, en dus elk gevoelig voor een specifieke golflengte van licht. Wanneer invallend licht de array raakt, elk gebied reageert anders, afhankelijk van de golflengte van het licht waarvoor het gevoelig is. Door uit te zoeken hoe elk deel van de array reageert, een computer kan reconstrueren welke kleur het oorspronkelijke licht had.

De techniek kan ook worden gebruikt voor afdrukken, het team liet zien. In plaats van pixels te maken met zes secties die zijn afgestemd op specifieke kleuren, ze creëerden pixels met drie balken die drie kleuren weerspiegelen:blauw, groen en rood. Door de relatieve lengtes van elke staaf te regelen, ze kunnen dicteren welke combinatie van kleuren de pixel weerspiegelt. Het is een nieuwe kijk op het klassieke RGB-schema dat voor het eerst werd gebruikt in fotografie in 1861.

Maar in tegenstelling tot de meeste andere toepassingen, het plasmonische kleurenschema belooft in de loop van de tijd nooit te vervagen en kan keer op keer betrouwbaar en nauwkeurig worden gereproduceerd. Het stelt zijn gebruikers ook in staat om kleurenschema's in het infrarood te maken.

"Opnieuw, het spannende is dat je in zowel zichtbaar als infrarood op hetzelfde substraat kunt printen, "zei Mikkelsen. "Je kunt je voorstellen dat je een afbeelding afdrukt met een verborgen gedeelte in het infrarood, of zelfs een heel object bedekken om zijn spectrale respons aan te passen."