Инженеры Университета Дьюка в США создали самый быстрый из когда-либо зарегистрированных пироэлектрических фотодетекторов. Это устройство «чувствует» световые сигналы, улавливая тепло, преобразованное в свет после его поглощения. Этот новый ультратонкий датчик может работать при комнатной температуре, не требует внешнего источника питания и может быть интегрирован в систему микросхем, чтобы реагировать на свет практически всего электромагнитного спектра. Ожидается, что это будет способствовать развитию нового поколения технологий мультиспектральной визуализации. Соответствующие результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.
В настоящее время большая часть оборудования для цифровых камер использует полупроводниковые детекторы света для преобразования видимого света, падающего на их поверхности, в электрический ток, который затем обрабатывается электронными схемами для формирования изображений. Рабочая полоса этого типа устройства аналогична полосе человеческого глаза, в основном сосредоточена за пределами ограниченного диапазона видимого света и часто «закрывает глаза» на электромагнитное излучение в других диапазонах. Чтобы обнаружить более широкую полосу, исследователи обычно используют пироэлектрические детекторы: когда материал поглощает свет, его температура увеличивается, создавая электрический сигнал.
Однако традиционные пироэлектрические детекторы уже давно уступают полупроводниковым решениям по быстродействию. Чтобы получить достаточный сигнал, устройству часто требуется толстый поглощающий слой или очень сильный падающий свет, что делает общий объем громоздким и снижает скорость отклика. Майкен Миккельсен, профессор электротехники и компьютерной техники в Университете Дьюка, отмечает, что коммерческие пироэлектрические детекторы имеют ограниченную чувствительность и «либо требуют очень яркого света, либо очень толстого поглотительного слоя, который, естественно, медленный, потому что само тепло распространяется не очень быстро».
Прорыв команды Дьюка произошел благодаря структурному проекту, названному «метаповерхность». Исследователи аккуратно расположили большое количество нанокубов серебра поверх чрезвычайно тонкой золотой пленки, разделенной прозрачным слоем толщиной около 10 нанометров. Когда свет попадает на эти нанокубы, он возбуждает электроны серебра, захватывая световую энергию в локальной структуре посредством плазмонного эффекта. Конкретные улавливаемые длины волн зависят от размера и расстояния между нанокубами, что позволяет контролировать частоту поглощения посредством разработки наноструктур.
Поскольку эта наноструктура настолько эффективна в «улавливании» света, исследователям нужно всего лишь поместить под нее чрезвычайно тонкий слой пироэлектрического материала, чтобы генерировать достаточно сильный электрический сигнал. Впервые команда продемонстрировала эту идею еще в 2019 году, хотя скорость ее реакции тогда не измерялась. «Тепловые фотодетекторы теоретически должны быть очень медленными, поэтому вся эта наука была удивлена, когда мы обнаружили, что временные масштабы их работы близки к временным масштабам кремниевых фотодетекторов», — вспоминает Миккельсен.
В последние годы Ынсо Шин, аспирант из команды Миккельсена, дополнительно оптимизировал структуру устройства и разработал недорогое тестовое решение для измерения его предельной скорости, не полагаясь на дорогие профессиональные инструменты. В модернизированной конструкции вместо прямоугольной конструкции используется круглая метаповерхность, что, с одной стороны, увеличивает эффективную площадь захвата падающего света, а с другой — сокращает путь передачи сигнала внутри устройства. Команда также работает с коллегами над внедрением более тонких слоев пироэлектрических материалов и улучшением конструкции схем, используемых для чтения и передачи сигналов.
Во время тестовой сессии Шин построил экспериментальную платформу, состоящую из двух лазеров с распределенной обратной связью. По мере того, как частота лазера постепенно приближается к рабочему пределу фотодетектора, отклик выходного сигнала устройства значительно изменится, из чего можно определить его истинную рабочую скорость. Результаты показывают, что новый фотодетектор может работать на частотах до 2,8 ГГц, что означает, что он может преобразовывать падающий свет в измеримый электрический сигнал за время около 125 пикосекунд.
«Пироэлектрические фотодетекторы обычно работают в диапазоне от наносекунд до микросекунд, и на этот раз результаты получаются в сотни или даже тысячи раз быстрее», — сказал Шин, отметив, что команда все еще работает над дальнейшим увеличением скорости, исследуя верхний предел скорости физического механизма пироэлектрических фотодетекторов.
С нетерпением ожидая перспектив применения, исследователи полагают, что дальнейшая «упаковка» пироэлектрического материала и схемы считывания в узкое пространство между нанокубом и золотой пленкой, как ожидается, продолжит сжимать толщину устройства и улучшать его характеристики. Кроме того, они также изучают возможность использования многослойных метаповерхностных структур, чтобы одно устройство могло одновременно обнаруживать несколько длин волн и их состояния поляризации. Ожидается, что по мере развития последующих итераций проектирования и производственных процессов эта технология приведет к созданию нового поколения мощных систем мультиспектральной визуализации.
Поскольку такие детекторы при работе не требуют внешнего источника питания, они потенциально могут быть развернуты на дронах, спутниках и различных космических аппаратах для выполнения долгосрочных высокоманевренных миссий дистанционного зондирования. В сценариях точного земледелия беспилотные платформы, оснащенные этой системой визуализации, могут в режиме реального времени определять, какие культуры требуют орошения или внесения удобрений, обеспечивая более точное управление ресурсами. Миккельсен считает, что как только устройства смогут одновременно обнаруживать достаточное количество частот, «это откроет двери для таких приложений, как диагностика рака кожи, обнаружение безопасности пищевых продуктов и транспортные средства дистанционного зондирования. Они все еще в пути, но это то направление, в котором мы движемся».