Ingenieurs van Caltech hebben voor het eerst een lichtdetector ontwikkeld die twee verschillende technologieën combineert:nanofotonica, die licht op nanoschaal manipuleert, en thermo-elektriciteit, die temperatuurverschillen direct vertaalt in elektronenspanning - om verschillende golflengten (kleuren) van licht te onderscheiden, met inbegrip van zowel zichtbare als infrarode golflengten, bij hoge resolutie.

Lichtdetectoren die onderscheid maken tussen verschillende kleuren licht of warmte worden gebruikt in een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder satellieten die de veranderende vegetatie en het landschap op aarde bestuderen en medische camera's die onderscheid maken tussen gezonde en kankercellen op basis van hun kleurvariaties.

De nieuwe detector, beschreven in een paper in Natuur Nanotechnologie op 22 mei, werkt ongeveer 10 tot 100 keer sneller dan de huidige vergelijkbare thermo-elektrische apparaten en is in staat om licht te detecteren over een groter bereik van het elektromagnetische spectrum dan traditionele lichtdetectoren. In traditionele lichtdetectoren, inkomende lichtfotonen worden geabsorbeerd in een halfgeleider en exciteren elektronen die door de detector worden opgevangen. De beweging van deze door licht opgewekte elektronen produceert een elektrische stroom - een signaal - die kan worden gemeten en gekwantificeerd. Hoewel effectief, dit type systeem maakt het moeilijk om infrarood licht te "zien", die bestaat uit fotonen met een lagere energie dan die in zichtbaar licht.

Omdat de nieuwe detectoren mogelijk in staat zijn om infrarode golflengten van zonlicht en warmte te vangen die niet efficiënt kunnen worden opgevangen door conventionele zonnematerialen, de technologie zou kunnen leiden tot betere zonnecellen en beeldvormingsapparatuur.

"In nanofotonica, we bestuderen de manier waarop licht interageert met structuren die veel kleiner zijn dan de optische golflengte zelf, wat resulteert in extreme opsluiting van licht. In dit werk, we hebben dit attribuut gecombineerd met de vermogensconversie-eigenschappen van thermo-elektriciteit om een ​​nieuw type opto-elektronisch apparaat mogelijk te maken, " zegt Harry Atwater, corresponderende auteur van de studie. Atwater is de Howard Hughes Professor of Applied Physics and Materials Science in de Division of Engineering and Applied Science van Caltech, en directeur van het Gemeenschappelijk Centrum voor Kunstmatige Fotosynthese (JCAP). JCAP is een Energy Innovation Hub van het Department of Energy (DOE) dat zich richt op het ontwikkelen van een kosteneffectieve methode om zonlicht, water, en koolstofdioxide in brandstof. Het wordt geleid door Caltech met Berkeley Lab als belangrijke partner.

Atwater's team bouwde materialen met nanostructuren die honderden nanometers breed zijn - zelfs kleiner dan de golflengten van licht die het zichtbare spectrum vertegenwoordigen, die varieert van ongeveer 400 tot 700 nanometer.

De onderzoekers creëerden nanostructuren met verschillende breedtes, die verschillende golflengten - kleuren - licht absorberen. Wanneer deze nanostructuren licht absorberen, ze genereren een elektrische stroom met een sterkte die overeenkomt met de lichtgolflengte die wordt geabsorbeerd.

De detectoren zijn vervaardigd in de cleanroom van het Kavli Nanoscience Institute in Caltech, waar het team subgolflengtestructuren creëerde met behulp van een combinatie van dampafzetting (die atoomdunne materiaallagen op een oppervlak condenseert uit een elementrijke mist) en elektronenstraallithografie (die vervolgens patronen op nanoschaal in dat materiaal snijdt met behulp van een gerichte elektronenstraal ). de structuren, die resoneren en een signaal genereren wanneer ze fotonen met specifieke golflengten absorberen, zijn gemaakt van legeringen met bekende thermo-elektrische eigenschappen, maar het onderzoek is toepasbaar op een breed scala aan materialen, zeggen de auteurs.

"Dit onderzoek is een brug tussen twee onderzoeksvelden, nanofotonica en thermo-elektriciteit, die niet vaak interactie hebben, en creëert een weg voor samenwerking, " zegt afgestudeerde student Kelly Mauser (MS '16), hoofdauteur van de Natuur Nanotechnologie studie. "Er is een overvloed aan onontgonnen en opwindende toepassings- en onderzoeksmogelijkheden op de kruising van deze twee velden."

De studie is getiteld "Resonante thermo-elektrische nanofotonica."