(Phys.org) – Ett team av ingenjörer från University of Pennsylvania har använt ett mönster av nanoantenner för att utveckla ett nytt sätt att omvandla infrarött ljus till mekanisk verkan, öppnar dörren till känsligare infraröda kameror och mer kompakta tekniker för kemisk analys.

Forskningen utfördes av biträdande professor Ertugrul Cubukcu och postdoktorn Fei Yi, tillsammans med doktorander Hai Zhu och Jason C. Reed, alla av Institutionen för materialvetenskap och teknik i Penns School of Engineering and Applied Science.

Det publicerades i tidskriften Nanobokstäver .

Att upptäcka ljus i det mellan-infraröda området är viktigt för applikationer som mörkerseende kameror, men det kan också användas för att göra spektroskopi, en teknik som går ut på att sprida ljus över ett ämne för att sluta sig till dess kemiska sammansättning. Befintliga infraröda detektorer använder kryogent kylda halvledare, eller termiska detektorer som kallas mikrobolometrar, där förändringar i elektriskt motstånd kan korreleras till temperaturer. Dessa tekniker har sina egna fördelar, men båda behöver dyra, skrymmande utrustning för att vara tillräckligt känslig för spektroskopitillämpningar.

"Vi bestämde oss för att tillverka en optomekanisk termisk infraröd detektor, " sade Cubukcu. "Istället för förändringar i motståndet, vår detektor fungerar genom att koppla mekanisk rörelse till förändringar i temperatur."

Fördelen med detta tillvägagångssätt är att det kan minska fotavtrycket för en infraröd avkänningsenhet till något som skulle passa på ett engångschip av silikon. Forskarna tillverkade en sådan anordning i sin studie.

Kärnan i enheten är en struktur i nanoskala - ungefär en tiondels millimeter bred och fem gånger så lång - gjord av ett lager av guld bundet till ett lager av kiselnitrid. Forskarna valde dessa material på grund av deras olika värmeutvidgningskoefficienter, en parameter som bestämmer hur mycket ett material kommer att expandera vid upphettning. Eftersom metaller naturligt omvandlar en del energi från infrarött ljus till värme, forskare kan koppla hur mycket materialet expanderar till mängden infrarött ljus som träffar det.

"Ett enda lager skulle expandera i sidled, men våra två lager är begränsade eftersom de är fästa vid varandra, " sade Cubukcu. "Det enda sättet de kan expandera är i den tredje dimensionen. I detta fall, det betyder att böja sig mot guldsidan, eftersom guld har den högre värmeutvidgningskoefficienten och kommer att expandera mer."

För att mäta denna rörelse, forskarna använde en fiberinterferometer. En fiberoptisk kabel som pekar uppåt mot detta system studsar ljus från undersidan av kiselnitridskiktet, vilket gör det möjligt för forskarna att avgöra hur långt strukturen har böjts uppåt.

"Vi kan se hur långt bottenskiktet har rört sig baserat på detta reflekterade ljus, " sade Cubukcu. "Vi kan till och med se förskjutningar som är tusentals gånger mindre än en väteatom."

Andra forskare har utvecklat optomekaniska infraröda sensorer baserade på denna princip, men deras känslighet har varit jämförelsevis låg. Penn-teamets enhet är en förbättring i detta avseende på grund av införandet av "slot" nanoantenner, kaviteter som är etsade in i guldskiktet med intervaller som motsvarar våglängder av mellaninfrarött ljus.

"Den infraröda strålningen koncentreras till slitsarna, så du behöver inget extra material för att göra dessa antenner, " sade Cubukcu. "Vi tar exakt samma plattform och, genom att mönstra den med dessa nanoskaliga antenner, detektorns omvandlingseffektivitet förbättras 10 gånger."

Införandet av nanoantenner ger enheten ytterligare en fördel:möjligheten att skräddarsy vilken typ av ljus den är känslig för genom att etsa ett annat mönster av slitsar på ytan.

"Andra tekniker kan bara fungera med den maximala absorptionen som bestäms av själva materialet, "Yi sa. "Våra antenner kan konstrueras för att absorbera vid vilken våglängd som helst."

Även om endast ett proof-of-concept i detta skede, framtida forskning kommer att visa enhetens kapacitet som ett billigt sätt att analysera enskilda proteiner och gasmolekyler.