Arizona State University-forskare hittar sätt att förbättra infraröd fotodetektorteknik som är avgörande för nationella försvars- och säkerhetssystem, och används alltmer i kommersiella tillämpningar och konsumentprodukter.
Ett betydande framsteg rapporteras i en färsk artikel i tidskriften Bokstäver i tillämpad fysik . Det beskriver upptäckten av hur infraröd fotodetektion kan göras mer effektivt genom att använda vissa material arrangerade i specifika mönster i atomskalstrukturer.
Det åstadkoms genom att använda flera ultratunna lager av materialen som bara är flera nanometer tjocka. Kristaller bildas i varje lager. Dessa skiktade strukturer kombineras sedan för att bilda det som kallas "superlattices".
Fotodetektorer gjorda av olika kristaller absorberar olika våglängder av ljus och omvandlar dem till en elektrisk signal. Omvandlingseffektiviteten som uppnås av dessa kristaller bestämmer en fotodetektors känslighet och kvaliteten på detekteringen den ger, förklarar elektroingenjören Yong-Hang Zhang.
Superlattikernas unika egenskap är att deras detektionsvåglängder i stor utsträckning kan justeras genom att ändra konstruktionen och sammansättningen av de skiktade strukturerna. De exakta arrangemangen av materialen i nanoskala i supergitterstrukturer hjälper till att förbättra känsligheten hos infraröda detektorer, säger Zhang.
Zhang är professor vid School of Electrical, Dator- och energiteknik, en av ASU:s Ira A. Fulton Schools of Engineering. Han leder arbetet med forskning inom infraröd teknologi vid ASU:s Center for Photonics Innovation.
Ytterligare forskning inom detta område stöds av ett anslag från Air Force Office of Scientific Research och ett nytt Multidisciplinary University Research Initiative (MURI)-program som inrättats av U.S. Army Research Office. ASU är en partner i programmet som leds av University of Illinois i Urbana-Champaign.
MURI-programmet gör det möjligt för Zhangs grupp att påskynda sitt arbete genom att samarbeta med David Smith, en professor vid institutionen för fysik vid ASU:s College of Liberal Arts and Sciences, och Shane Johnson, en senior forskare vid ASU:s ingenjörsskolor.
Teamet använder en kombination av indiumarsenid och indiumarsenidantimonid för att bygga supergitterstrukturerna. Kombinationen tillåter enheter att generera fotoelektroner som är nödvändiga för att ge infraröd signaldetektering och bildbehandling, säger Elizabeth Steenbergen, en elektroteknikdoktorand som utförde experiment på supergittermaterialen med medarbetare på Army Research Lab.
"I en fotodetektor, ljus skapar elektroner. Elektroner kommer ut från fotodetektorn som elektrisk ström. Vi läser av storleken på denna ström för att mäta intensiteten av infrarött ljus, " hon säger.
"I denna kedja, vi vill att alla elektroner ska samlas in från detektorn så effektivt som möjligt. Men ibland går dessa elektroner vilse inuti enheten och samlas aldrig, säger teammedlemmen Orkun Cellek, en elektroingenjör postdoktoral forskarassistent.
Zhang säger att lagets användning av de nya materialen minskar denna förlust av optiskt exciterade elektroner, vilket ökar elektronernas bärlivstid med mer än 10 gånger vad som har uppnåtts med andra kombinationer av material som traditionellt används i tekniken. Bärarens livslängd är en nyckelparameter som tidigare har begränsad detektoreffektivitet.
En annan fördel är att infraröda fotodetektorer gjorda av dessa supergittermaterial inte behöver så mycket kylning. Sådana enheter kyls som ett sätt att minska mängden oönskad ström inuti enheterna som kan "begrava" elektriska signaler, säger Zhang.
Behovet av mindre kylning minskar mängden ström som behövs för att driva fotodetektorerna, vilket kommer att göra enheterna mer tillförlitliga och systemen mer kostnadseffektiva.
Forskare säger att förbättringar fortfarande kan göras i skiktdesignerna i de invecklade supergitterstrukturerna och i utvecklingen av enhetsdesigner som gör att de nya kombinationerna av material kan fungera mest effektivt.
Framstegen lovar att förbättra allt från guidade vapen och sofistikerade övervakningssystem till industri- och hemsäkerhetssystem, användningen av infraröd detektering för medicinsk bildbehandling och som ett trafiksäkerhetsverktyg för körning på natten eller under sandstormar eller kraftig dimma.
"Du skulle kunna se saker framför dig på vägen mycket bättre än med några strålkastare, "Säger Cellek.
