Инженеры Университета Пенсильвании на основе модели, состоящей из наноантенн, разработали новый способ превращения инфракрасного света в механическое движение, который откроет путь к созданию более чувствительных инфракрасных камер и более компактных химических методов анализа.
Исследование было проведено доцентом Эртугрулом Чубукчу (Ertugrul Cubukcu) и докторантом Фей Йи (Fei Yi), с участием аспирантов Хай Жу (Hai Zhu) и Джейсона Рида (Jason C. Reed). Все ученые представляют кафедру Института материаловедения и технологии в школе Пенна инженерных и прикладных наук. Статья о проведенной работе опубликована в журнале «Nano Letters».
Техника детектирования света среднего инфракрасного диапазона важна для таких приложений, как камеры ночного видения или спектроскопия, использующая метод обнаружения рассеянного веществом света, для того, чтобы определять его химический состав. Существующие инфракрасные детекторы используют криогенное охлаждение полупроводников или температурных датчиков, микроболометров, в которых изменения электрического сопротивления могут быть соотнесены с температурами. Оба этих метода имеют свои преимущества, но они оба требуют дорогого, громоздкого оборудования, для получения достаточной для спектроскопии чувствительности.
“Мы решили создать оптико-механические тепловые инфракрасные детекторы, – сказал Чубукчу. – Вместо того чтобы следить за изменением сопротивления, наш детектор следит за механическим движением и соотносит его с изменениями температуры”.
Преимуществом такого подхода является то, что могут значительно сократиться размеры датчиков обнаружения инфракрасного излучения, так что их можно будет поместить на одноразовых кремниевых чипах. Ученые создали такое устройство в своем исследовании.
В основе устройства – наноразмерные структуры, шириной около одной десятой миллиметра, а по длине – в пять раз длиннее, изготовленные из слоя золота, связанного со слоем нитрида кремния. Исследователи выбрали эти материалы, потому что у них разные коэффициенты теплового расширения, параметр, который определяет, на сколько материал будет расширяться при нагревании. Поскольку металлы при облучении инфракрасным светом нагреваются, то исследователи, наблюдая, как материал расширяется, могут определять количество инфракрасного света, падающего на него.
“Один слой будет расширяться во все стороны по горизонтали, но, так как наши два слоя связаны друг с другом, – говорит Чубукчу. – то они могут расширяться только в третьем измерении. В этом случае, это означает, что будет происходить прогиб в сторону золота, так как золото имеет более высокий коэффициент теплового расширения, и будет расширяться больше”.
Для измерения этого перемещения, исследователи использовали оптоволоконный интерферометр. Волоконно-оптический кабель, направленный вверх, принимает свет, отраженный от нижней поверхности слоя нитрида кремния, и это позволяет исследователям узнать, насколько далеко структура изогнута вверх.
«Мы можем определять, как далеко нижний слой сместился, анализируя отраженный свет, – сказал Чубукчу. – Наш метод позволяет даже увидеть смещения, которые в тысячи раз меньше, чем атом водорода».
До этого другие исследователи уже изготавливали оптико-механические инфракрасные датчики, основанные на таком же принципе, но их чувствительность была значительно ниже. Устройство, которое разработала команда из школы Пенна, является улучшением в рассматриваемой области, благодаря созданию «слотов» наноантенн, то есть специальных полостей, которые были выгравированы в золотых слоях с интервалом, равным длине волны середины диапазона инфракрасного света.
“Инфракрасное излучение концентрируется в «слотах», при этом вам не нужно никакого дополнительного материала, чтобы сделать антенны, – пояснил Чубукчу. – Мы берем и многократно повторяем эти наноразмерные антенны, и в результате эффективность преобразования детектора улучшается в 10 раз”.
Использование таких структур с наноантеннами дает дополнительное преимущество: появляется возможность адаптировать чувствительность устройства к тому, какой тип света она должна детектировать, изменяя при травлении ширину прорезей на поверхности.
“Другие методы могут работать только на той длине волны света, которая определяется чувствительностью используемого материалом, – сказал Фей Йи. – Но наши антенны могут быть спроектированы, чтобы поглощать свет любой длины волны”.
Хотя проведенная работа является на этом этапе всего лишь проверкой концепции, но ученые уверены, что будущие исследования продемонстрируют возможность создания недорогих детекторов для анализа отдельных белков и молекул газа.
По данным – phys.org
