Детекторы света, которые различают разные цвета света или тепла, используются в различных приложениях, включая спутники, изучающие изменение растительности и ландшафта на Земле, и медицинские устройства формирования изображений, которые различают здоровые и раковые клетки на основе их цветовых вариаций.Новый детектор, описанный в статье в Nature Nanotechnology от 22 мая, работает примерно в 10-100 раз быстрее, чем современные сопоставимые термоэлектрические устройства, и способен обнаруживать свет в более широком диапазоне электромагнитного спектра, чем традиционные световые детекторы.
В традиционных детекторах света входящие фотоны света поглощаются полупроводником и возбуждают электроны, которые захватываются детектором. Движение этих возбужденных светом электронов создает электрический ток — сигнал, который можно измерить и измерить. Несмотря на свою эффективность, этот тип системы затрудняет «видеть» инфракрасный свет, который состоит из фотонов с более низкой энергией, чем в видимом свете.
Поскольку новые детекторы потенциально способны улавливать инфракрасные волны солнечного света и тепла, которые не могут быть эффективно собраны обычными солнечными материалами, эта технология может привести к созданию более совершенных солнечных элементов и устройств формирования изображений.«В нанофотонике мы изучаем, как свет взаимодействует со структурами, которые намного меньше самой длины оптической волны, что приводит к экстремальному ограничению света. В этой работе мы объединили этот атрибут с характеристиками преобразования энергии термоэлектриков, чтобы создать новую типа оптоэлектронного устройства », — говорит Гарри Этуотер, автор исследования. Этуотер — профессор прикладной физики и материаловедения Говарда Хьюза в отделе инженерии и прикладных наук Калифорнийского технологического института и директор Объединенного центра искусственного фотосинтеза (JCAP).
JCAP — это центр энергетических инноваций Министерства энергетики (DOE), специализирующийся на разработке экономичного метода превращения солнечного света, воды и углекислого газа в топливо. Его возглавляет Калифорнийский технологический институт, основным партнером которого является лаборатория Беркли.
Команда Этуотера создала материалы с наноструктурами шириной в сотни нанометров — даже меньше, чем длины волн света, которые представляют видимый спектр, который колеблется от 400 до 700 нанометров.Исследователи создали наноструктуры различной ширины, которые поглощают свет разных длин волн — цветов. Когда эти наноструктуры поглощают свет, они генерируют электрический ток с силой, соответствующей длине поглощаемой световой волны.Детекторы были изготовлены в чистом помещении Института нанонауки Кавли в Калифорнийском технологическом институте, где команда создала субволновые структуры, используя комбинацию осаждения из паровой фазы (которое конденсирует тонкие до атома слои материала на поверхности из богатого элементами тумана) и электронно-лучевой литографии (которая затем вырезает наноразмерные узоры в этом материале с помощью сфокусированного пучка электронов).
Структуры, которые резонируют и генерируют сигнал, когда они поглощают фотоны с определенными длинами волн, были созданы из сплавов с хорошо известными термоэлектрическими свойствами, но исследования применимы к широкому кругу материалов, говорят авторы.«Это исследование является мостом между двумя областями исследований, нанофотоникой и термоэлектрикой, которые не часто взаимодействуют друг с другом и создают возможности для сотрудничества», — говорит аспирантка Келли Маузер (MS ’16), ведущий автор исследования Nature Nanotechnology. «На стыке этих двух областей существует множество неизведанных и интересных приложений и исследовательских возможностей».