Den förbättrade kraften hos den nya mättekniken för att karakterisera material i skalor som är mycket mindre än någon nuvarande teknologi kommer att påskynda upptäckten och undersökningen av 2-D, material i mikro- och nanoskala.

Att noggrant kunna mäta halvledaregenskaper hos material i små volymer hjälper ingenjörer att avgöra vilka applikationer som dessa material kan vara lämpliga för i framtiden, särskilt eftersom storleken på elektroniska och optiska enheter fortsätter att krympa.

Daniel Wasserman, en docent vid institutionen för elektro- och datorteknik vid Cockrell School of Engineering, ledde teamet som byggde det fysiska systemet, utvecklat mättekniken som kan uppnå denna nivå av känslighet och visat framgångsrikt dess förbättrade prestanda. Deras arbete rapporterades idag i Naturkommunikation .

Teamets designstrategi var fokuserad på att utveckla förmågan att ge kvantitativ feedback om materialkvalitet, med särskilda tillämpningar för utveckling och tillverkning av optoelektroniska anordningar. Den visade metoden är kapabel att mäta många av de material som ingenjörer tror att en dag kommer att finnas överallt för nästa generations optoelektroniska enheter.

Optoelektronik är studiet och tillämpningen av elektroniska enheter som kan källa, upptäcka och kontrollera ljus. Optoelektroniska enheter som känner av ljus, känd som fotodetektorer, använda material som genererar elektriska signaler från ljus. Fotodetektorer finns i smartphonekameror, solceller och i de fiberoptiska kommunikationssystem som utgör våra bredbandsnät. I ett optoelektroniskt material, den tid som elektronerna förblir "fotoexciterade, " eller kan alstra en elektrisk signal, är en pålitlig indikator på den potentiella kvaliteten på det materialet för fotodetektionstillämpningar.

Den nuvarande metoden som används för att mäta bärardynamiken, eller livstid, av fotoexciterade elektroner är kostsamt och komplext och mäter endast storskaliga materialprover med begränsad noggrannhet. UT-teamet bestämde sig för att försöka använda en annan metod för att kvantifiera dessa livstider genom att placera små volymer av materialen i specialdesignade mikrovågsresonatorkretsar. Prover exponeras för koncentrerade mikrovågsfält medan de är inne i resonatorn. När provet träffas med ljus, mikrovågskretsens signal ändras, och förändringen i kretsen kan avläsas på ett standardoscilloskop. Förfallet av mikrovågssignalen indikerar livslängden för fotoexciterade laddningsbärare i små volymer av materialet som placerats i kretsen.

"Att mäta sönderfallet av den elektriska (mikrovågs)signalen gör att vi kan mäta materialets bärarlivslängd med mycket större noggrannhet, " sa Wasserman. "Vi har upptäckt att det är enklare, billigare och effektivare metod än nuvarande tillvägagångssätt."

Bärarens livslängd är en kritisk materialparameter som ger insikt i den övergripande optiska kvaliteten hos ett material samtidigt som den bestämmer intervallet av applikationer för vilka ett material kan användas när det är integrerat i en fotodetektorenhetsstruktur. Till exempel, material som har en mycket lång bärarlivslängd kan vara av hög optisk kvalitet och därför mycket känsliga, men kanske inte är användbart för applikationer som kräver hög hastighet.

"Trots vikten av transportörens livslängd, det finns inte många, om någon, kontaktfria alternativ för att karakterisera material med små ytor som infraröda pixlar eller 2-D-material, som har vunnit popularitet och teknologisk betydelse de senaste åren, sa Wasserman.

Ett område som säkert kommer att dra nytta av de verkliga tillämpningarna av denna teknik är infraröd detektering, en viktig komponent i molekylär avkänning, värmeavbildning och vissa försvars- och säkerhetssystem.

"En bättre förståelse av infraröda material kan leda till innovationer inom mörkerseendeglasögon eller infraröd spektroskopi och avkänningssystem, sa Wasserman.

Höghastighetsdetektorer som arbetar vid dessa frekvenser kan till och med möjliggöra utvecklingen av fritt rymdkommunikation i den långa våglängden infraröd - en teknik som möjliggör trådlös kommunikation under svåra förhållanden, i rymden eller mellan byggnader i stadsmiljöer.