Forskare vid Duke University har visat fotodetektorer som kan sträcka sig över ett oöverträffat antal ljusfrekvenser med hjälp av on-chip-spektralfilter skapade av skräddarsydda elektromagnetiska material. Kombinationen av flera fotodetektorer med olika frekvenssvar på ett enda chip kan möjliggöra lättvikt, billiga multispektrala kameror för applikationer som cancerkirurgi, livsmedelssäkerhetskontroll och precisionsjordbruk.

En typisk kamera fångar bara synligt ljus, vilket är en liten bråkdel av det tillgängliga spektrumet. Andra kameror kan specialisera sig på infraröda eller ultravioletta våglängder, till exempel, men få kan fånga ljus från olika punkter längs spektrumet. Och de som kan drabbas av ett otal nackdelar, såsom komplicerad och opålitlig tillverkning, långsamma funktionshastigheter, bulk som kan göra dem svåra att transportera, och kostar upp till hundratusentals dollar.

I forskning som visas online den 25 november i tidningen Naturmaterial , Duke-forskare demonstrerar en ny typ av bredspektrumfotodetektor som kan implementeras på ett enda chip, så att den kan fånga en multispektral bild på några biljoner tiondelar av en sekund och produceras för bara tiotals dollar. Tekniken är baserad på fysik som kallas plasmonik - användningen av fysiska fenomen i nanoskala för att fånga vissa ljusfrekvenser.

"Det instängda ljuset orsakar en kraftig temperaturökning, vilket gör att vi kan använda dessa coola men nästan bortglömda material som kallas pyroelektriker, "sa Maiken Mikkelsen, James N. och Elizabeth H. Barton docent i el- och datateknik vid Duke University. "Men nu när vi har dammat av dem och kombinerat dem med den senaste tekniken, vi har kunnat göra dessa otroligt snabba detektorer som också kan känna av frekvensen för det inkommande ljuset. "

Enligt Mikkelsen, kommersiella fotodetektorer har gjorts med dessa typer av pyroelektriska material tidigare, men har alltid lidit av två stora nackdelar. De har inte kunnat fokusera på specifika elektromagnetiska frekvenser, och de tjocka skikten av pyroelektriskt material som behövs för att skapa tillräckligt med en elektrisk signal har fått dem att arbeta med mycket långsamma hastigheter.

"Men våra plasmoniska detektorer kan vridas till vilken frekvens som helst och fånga så mycket energi att de genererar ganska mycket värme, "sa Jon Stewart, en doktorand i Mikkelsens labb och första författare på pappret. "Den effektiviteten innebär att vi bara behöver ett tunt lager av material, vilket påskyndar processen mycket. "

Det tidigare rekordet för upptäcktstider i alla typer av värmekameror med ett chipfilter, oavsett om det använder pyroelektriska material eller inte, var 337 mikrosekunder. Mikkelsens plasmonbaserade tillvägagångssätt utlöste en signal på bara 700 pikosekunder, vilket är ungefär 500, 000 gånger snabbare. Men eftersom dessa upptäcktstider begränsades av de experimentella instrument som används för att mäta dem, de nya fotodetektorerna kan fungera ännu snabbare i framtiden.

För att åstadkomma detta, Mikkelsen och hennes team formade silverbitar bara hundra nanometer breda och placerade dem på en genomskinlig film bara några nanometer ovanför ett tunt lager guld. När ljuset träffar ytan på en nanokub, det väcker silverets elektroner, fånga ljusets energi - men bara vid en specifik frekvens.

Storleken på silver -nanokuberna och deras avstånd från baslagret av guld avgör den frekvensen, medan mängden ljus som absorberas kan justeras genom att kontrollera avståndet mellan nanopartiklarna. Genom att exakt anpassa dessa storlekar och avstånd, forskare kan få systemet att reagera på valfri elektromagnetisk frekvens.

För att utnyttja detta grundläggande fysiska fenomen för en kommersiell hyperspektral kamera, forskare skulle behöva skapa ett rutnät med små, enskilda detektorer, var och en inställd på en annan ljusfrekvens, till en större "superpixel".

I ett steg mot det målet, teamet visar fyra individuella fotodetektorer skräddarsydda för våglängder mellan 750 och 1900 nanometer. De plasmoniska metasytorna absorberar energi från specifika frekvenser av inkommande ljus och värmer upp. Värmen inducerar en förändring i kristallstrukturen av ett tunt lager av pyroelektriskt material som kallas aluminiumnitrid som sitter direkt under dem. Den strukturella förändringen skapar en spänning, som sedan läses av ett bottenlager av en kisel halvledarkontakt som överför signalen till en dator för analys.

"Det var inte alls uppenbart att vi kunde göra det här, "sa Mikkelsen." Det är faktiskt ganska häpnadsväckande att inte bara våra fotodetektorer fungerar, men vi ser nya, oväntade fysiska fenomen som gör att vi kan påskynda hur snabbt vi kan göra denna upptäckt av många storleksordningar. "

Mikkelsen ser flera potentiella användningsområden för kommersiella kameror baserat på tekniken, eftersom processen som krävs för att tillverka dessa fotodetektorer är relativt snabb, billig och skalbar.

Kirurger kan använda multispektral avbildning för att berätta skillnaden mellan cancerös och frisk vävnad under operationen. Mat- och vattensäkerhetsinspektörer kan använda det för att berätta när ett kycklingbröst är förorenat med farliga bakterier.

Med stöd av ett nytt Moore Inventor Fellowship från Gordon och Betty Moore Foundation, Mikkelsen har siktet inställt på precisionsjordbruk som ett första mål. Medan växter bara kan se gröna eller bruna ut med blotta ögat, ljuset utanför det synliga spektrumet som reflekteras från deras blad innehåller ett ymnighetshorn av värdefull information.

"Att få ett" spektralt fingeravtryck "kan exakt identifiera ett material och dess sammansättning, "sa Mikkelsen." Det kan inte bara indikera typen av växt, men det kan också avgöra dess tillstånd, om det behöver vatten, är stressad eller har låg kvävehalt, indikerar ett behov av gödselmedel. Det är verkligen häpnadsväckande hur mycket vi kan lära oss om växter genom att helt enkelt studera en spektral bild av dem. "

Hyperspektral avbildning kan möjliggöra precisionsjordbruk genom att tillåta gödselmedel, bekämpningsmedel, herbicider och vatten ska endast appliceras där det behövs, spara vatten och pengar och minska föroreningar. Tänk dig en hyperspektral kamera monterad på en drönare som kartlägger ett fälts tillstånd och överför den informationen till en traktor som är utformad för att leverera gödningsmedel eller bekämpningsmedel med varierande hastigheter över fälten.

Det uppskattas att den process som för närvarande används för att producera gödningsmedel står för upp till två procent av den globala energiförbrukningen och upp till tre procent av de globala koldioxidutsläppen. På samma gång, forskare uppskattar att 50 till 60 procent av det producerade gödningsmedlet är bortkastat. Redovisar enbart gödningsmedel, precisionsjordbruk har en enorm potential för energibesparingar och minskning av växthusgaser, för att inte tala om de uppskattade 8,5 miljarder dollar i direkta kostnadsbesparingar varje år, enligt United States Department of Agriculture.

Flera företag driver redan denna typ av projekt. Till exempel, IBM driver ett projekt i Indien med satellitbilder för att bedöma grödor på detta sätt. Detta tillvägagångssätt, dock, är mycket dyrt och begränsande, det är därför Mikkelsen föreställer sig en billig, handhållen detektor som kan avbilda grödor från marken eller från billiga drönare.

"Föreställ dig effekten inte bara i USA, men också i låg- och medelinkomstländer där det ofta råder brist på gödsel och vatten, "sa Mikkelsen." Genom att veta var man ska tillämpa de glesa resurserna, vi skulle kunna öka avkastningen avsevärt och hjälpa till att minska svält. "