Forskare vid Sandia National Laboratories, tillsammans med medarbetare från Rice University och Tokyo Institute of Technology, utvecklar nya terahertz -detektorer baserade på kolnanorör som kan leda till betydande förbättringar av medicinsk bildbehandling, screening av flygplatspassagerare, livsmedelsinspektion och andra tillämpningar.

Ett papper i Nano bokstäver tidning, "Carbon Nanotube Terahertz -detektor, "debuterade i 29 maj -upplagan av publikationens avsnitt" Just Accepted Manuscripts ". Artikeln beskriver en teknik som använder kolnanorör för att detektera ljus i terahertz -frekvensområdet utan kylning.

Historiskt sett terahertz -frekvensområdet - som faller mellan de mer konventionella områdena som används för elektronik i ena änden och optik i en annan - har gett stora löften tillsammans med irriterande utmaningar för forskare, sa Sandias François Léonard, en av författarna.

"Den fotoniska energin i terahertz -området är mycket mindre än för synligt ljus, och vi har helt enkelt inte mycket material för att effektivt absorbera det ljuset och omvandla det till en elektronisk signal, "sa Léonard." Så vi måste leta efter andra tillvägagångssätt. "

Terahertz -tekniken erbjuder hopp inom medicin och andra tillämpningar

Forskare måste lösa detta tekniska problem för att dra nytta av de många fördelaktiga tillämpningarna för terahertz -strålning, sa medförfattare Junichiro Kono från Rice University. Terahertz vågar, till exempel, kan lätt tränga igenom tyg och andra material och kan ge mindre påträngande sätt för säkerhetsundersökningar av människor och last. Terahertz -avbildning kan också användas vid livsmedelsinspektion utan att det påverkar livsmedelskvaliteten negativt.

Kanske den mest spännande applikationen som erbjuds av terahertz -teknik, sa Kono, är en potentiell ersättare för magnetisk resonanstomografi (MRI) -teknologi vid screening för cancer och andra sjukdomar.

"De potentiella förbättringarna i storlek, lätthet, kostnad och rörlighet för en terahertzbaserad detektor är fenomenala, "sa han." Med denna teknik, du kan tänkas utforma en handhållen terahertz-detekteringskamera som avbildar tumörer i realtid, med exakt noggrannhet. Och det kan göras utan den skrämmande karaktären hos MR -teknik. "

Kolnanorör kan hjälpa till att överbrygga det tekniska gapet

Sandia, dess medarbetare och Léonard, särskilt, har studerat kolnanorör och relaterade nanomaterial i åratal. 2008, Léonard författade The Physics of Carbon Nanotube Devices, som tittar på de experimentella och teoretiska aspekterna av kolnanorörsenheter.

Kolnanorör är långa, tunna cylindrar som helt består av kolatomer. Medan deras diametrar ligger inom 1- till 10-nanometerintervallet, de kan bli upp till flera centimeter långa. Kol-kolbindningen är mycket stark, så den motstår alla former av deformation.

Det vetenskapliga samfundet har länge varit intresserat av terahertz -egenskaperna hos kolnanorör, sa Léonard, men så gott som all forskning hittills har varit teoretisk eller datormodellbaserad. En handfull papper har undersökt terahertz -avkänning med kolnanorör, men de har huvudsakligen fokuserat på användningen av en enda eller en bunt nanorör.

Problemet, Léonard sa, är att terahertz -strålning vanligtvis kräver en antenn för att uppnå koppling till ett enda nanorör på grund av den relativt stora storleken på terahertz -vågor. Sandia, Rice University och Tokyo Institute of Technology forskargrupp, dock, hittat ett sätt att skapa en liten men synlig för det blotta ögat, utvecklad av risforskaren Robert Hauge och doktoranden Xiaowei He, som använder tunna filmer av kolnanorör utan att behöva antenn. Tekniken är således mottaglig för enkel tillverkning och representerar en av lagets viktigaste prestationer, Sa Léonard.

"Tunna filmer av kolnanorör är extremt bra absorberare av elektromagnetiskt ljus, "förklarade han. I terahertz -intervallet, det visar sig att tunna filmer av dessa nanorör kommer att suga upp all inkommande terahertz -strålning. Nanorörfilmer har till och med kallats "det svartaste materialet" för sin förmåga att absorbera ljus effektivt.

Forskarna kunde slå ihop flera rör i nanoskopisk storlek för att skapa en makroskopisk tunn film som innehåller en blandning av metalliska och halvledande kolnanorör.

"Att försöka göra det med ett annat slags material skulle vara nästan omöjligt, eftersom en halvledare och en metall inte kunde samexistera i nanoskala vid hög densitet, "förklarade Kono." Men det är vad vi har uppnått med kolnanorören. "

Tekniken är nyckeln, han sa, eftersom den kombinerar de fantastiska terahertz -absorptionsegenskaperna hos de metalliska nanorören och de unika elektroniska egenskaperna hos de halvledande kolnanorören. Detta gör det möjligt för forskare att uppnå en fotodetektor som inte kräver ström för att fungera, med prestanda som är jämförbar med befintlig teknik.

En tydlig väg till prestationsförbättring

Nästa steg för forskare, Léonard sa, är att förbättra designen, konstruktion och prestanda för terahertz -detektorn.

Till exempel, de måste integrera en oberoende terahertz -strålningskälla med detektorn för applikationer som kräver en källa, Sa Léonard. Teamet måste också införliva elektronik i systemet och ytterligare förbättra egenskaperna hos kolnanorörsmaterialet.

"Vi har några mycket tydliga idéer om hur vi kan uppnå dessa tekniska mål, sa Léonard, tillägger att nya samarbeten med industrin eller myndigheter är välkomna.

"Våra tekniska prestationer öppnar en ny väg för terahertz -teknik, och jag är särskilt stolt över det tvärvetenskapliga och samarbetsvilliga arbetet mellan tre institutioner, " han sa.

Förutom Sandia, Rice och Tokyo Tech, projektet fick bidrag från forskare som deltog i NanoJapan, ett 12-veckors sommarprogram som gör det möjligt för fysik- och ingenjörsstudenter för nybörjare och avancerade från amerikanska universitet att genomföra praktikplatser i nanovetenskaplig forskning i Japan med fokus på terahertz nanovetenskap.