Forskare från Rensselaer Polytechnic Institute har utvecklat en ny nanoteknikbaserad "mikrolens" som använder guld för att öka styrkan hos infraröd avbildning och kan leda till en ny generation av ultrakraftfulla satellitkameror och mörkerseendeenheter.

Genom att utnyttja de unika egenskaperna hos guld i nanoskala för att "klämma" ljus i små hål i enhetens yta, forskarna har fördubblat detektiviteten för en kvantpunktsbaserad infraröd detektor. Med vissa finesser, forskarna förväntar sig att denna nya teknik ska kunna förbättra detektiviteten med upp till 20 gånger.

Denna studie är den första på mer än ett decennium som visar framgång med att förbättra signalen från en infraröd detektor utan att också öka bruset, sa projektledaren Shawn-Yu Lin, professor i fysik vid Rensselaer och medlem av universitetets Future Chips Constellation and Smart Lighting Engineering Research Center.

"Infraröd detektering är en stor prioritet just nu, eftersom mer effektiv infraröd satellitbildsteknik har potential att dra nytta av allt från hemlandets säkerhet till övervakning av klimatförändringar och avskogning, sa Lin, som 2008 skapade världens mörkaste material samt en beläggning för solpaneler som absorberar 99,9 procent av ljuset från nästan alla vinklar.

"Vi har visat att du kan använda nanoskopiskt guld för att fokusera ljuset som kommer in i en infraröd detektor, vilket i sin tur förbättrar absorptionen av fotoner och också förbättrar kapaciteten hos de inbäddade kvantprickarna att omvandla dessa fotoner till elektroner. Den här typen av beteende har aldrig setts förut, " han sa.

Resultat av studien, med titeln "A Surface Plasmon Enhanced Infrared Photodetector Based on InAs Quantum Dots, " publicerades nyligen online av tidskriften Nanobokstäver . Tidningen kommer också att dyka upp i ett kommande nummer av tidskriftens tryckta upplaga. U.S.A. Air Force Office of Scientific Research finansierade denna studie.

Detektiviteten hos en infraröd fotodetektor bestäms av hur mycket signal den tar emot, dividerat med ljudet den tar emot. Den senaste tekniken inom fotodetektorer är baserad på kvicksilver-kadmium-tellurid (MCT) teknologi, som har en stark signal men står inför flera utmaningar inklusive långa exponeringstider för lågsignalavbildning. Lin sa att hans nya studie skapar en färdplan för att utveckla kvantpunktsinfraröda fotodetektorer (QDIP) som kan överträffa MCT, och överbrygga innovationsklyftan som har hämmat utvecklingen av infraröd teknik under det senaste decenniet.

Ytplasmon QDIPs är långa, platta strukturer med otaliga små hål på ytan. Den fasta ytan på strukturen som Lin byggde är täckt med cirka 50 nanometer – eller 50 miljarddelar av en meter – guld. Varje hål är cirka 1,6 mikron - eller 1,6 miljondelar av en meter - i diameter, och 1 mikron djup. Hålen är fyllda med kvantprickar, som är kristaller i nanoskala med unika optiska och halvledaregenskaper.

De intressanta egenskaperna hos QDIP:s guldyta hjälper till att fokusera inkommande ljus direkt in i mikroskaliga hål och effektivt koncentrera ljuset i poolen av kvantprickar. Denna koncentration stärker interaktionen mellan det fångade ljuset och kvantprickarna, och stärker i sin tur prickarnas förmåga att omvandla dessa fotoner till elektroner. Slutresultatet är att Lins enhet skapar ett elektriskt fält som är upp till 400 procent starkare än den råa energin som kommer in i QDIP.

Effekten liknar den som skulle bli resultatet av att täcka varje litet hål på QDIP med en lins, men utan den extra vikten, och minus krånglet och kostnaderna för att installera och kalibrera miljontals mikroskopiska linser, sa Lin.

Lins team visade också i journalen att guldskiktet i nanoskala på QDIP inte tillför något brus eller negativt påverkar enhetens svarstid. Lin planerar att fortsätta finslipa denna nya teknik och använda guld för att öka QDIP:s detektivitet, genom att både vidga diametern på ythålen och effektivare placering av kvantprickarna.

"Jag tror det, inom några år, vi kommer att kunna skapa en guldbaserad QDIP-enhet med en 20-faldig förbättring av signalen från vad vi har idag, " sa Lin. "Det är ett mycket rimligt mål, och kan öppna upp ett helt nytt utbud av applikationer från bättre mörkerseendeglasögon för soldater till mer exakta medicinska bilder."