Ingenjörer på Caltech har för första gången utvecklat en ljusdetektor som kombinerar två olika teknologier – nanofotonik, som manipulerar ljus på nanoskala, och termoelektrik, som översätter temperaturskillnader direkt till elektronspänning - för att särskilja olika våglängder (färger) av ljus, inklusive både synliga och infraröda våglängder, med hög upplösning.

Ljusdetektorer som skiljer mellan olika färger av ljus eller värme används i en mängd olika applikationer, inklusive satelliter som studerar föränderlig vegetation och landskap på jorden och medicinska bildapparater som skiljer mellan friska och cancerceller baserat på deras färgvariationer.

Den nya detektorn, beskrivs i en tidning i Naturens nanoteknik den 22 maj, fungerar cirka 10 till 100 gånger snabbare än nuvarande jämförbara termoelektriska enheter och kan detektera ljus över ett bredare spektrum av det elektromagnetiska spektrumet än traditionella ljusdetektorer. I traditionella ljusdetektorer, inkommande fotoner av ljus absorberas i en halvledare och exciterar elektroner som fångas av detektorn. Rörelsen av dessa ljusexciterade elektroner producerar en elektrisk ström - en signal - som kan mätas och kvantifieras. Även om det är effektivt, denna typ av system gör det svårt att "se" infrarött ljus, som består av fotoner med lägre energi än de i synligt ljus.

Eftersom de nya detektorerna potentiellt kan fånga infraröda våglängder av solljus och värme som inte kan samlas in effektivt av konventionella solmaterial, tekniken kan leda till bättre solceller och bildåtergivningsenheter.

"Inom nanofotonik, vi studerar hur ljus interagerar med strukturer som är mycket mindre än själva den optiska våglängden, vilket resulterar i extrem ljusinstängning. I det här arbetet, vi har kombinerat detta attribut med termoelektrikens effektomvandlingsegenskaper för att möjliggöra en ny typ av optoelektronisk enhet, säger Harry Atwater, motsvarande författare till studien. Atwater är Howard Hughes professor i tillämpad fysik och materialvetenskap vid avdelningen för teknik och tillämpad vetenskap vid Caltech, och chef för Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP). JCAP är en Department of Energy (DOE) Energy Innovation Hub fokuserad på att utveckla en kostnadseffektiv metod för att vända solljus, vatten, och koldioxid till bränsle. Det leds av Caltech med Berkeley Lab som en viktig partner.

Atwaters team byggde material med nanostrukturer som är hundratals nanometer breda – mindre till och med än ljusets våglängder som representerar det synliga spektrumet, som sträcker sig från cirka 400 till 700 nanometer.

Forskarna skapade nanostrukturer med en mängd olika bredder, som absorberar olika våglängder – färger – av ljus. När dessa nanostrukturer absorberar ljus, de genererar en elektrisk ström med en styrka som motsvarar ljusets våglängd som absorberas.

Detektorerna tillverkades i Kavli Nanoscience Institute renrum på Caltech, där teamet skapade subvåglängdsstrukturer med hjälp av en kombination av ångavsättning (som kondenserar atomtunna materiallager på en yta från en elementrik dimma) och elektronstrålelitografi (som sedan skär mönster i nanoskala i det materialet med en fokuserad stråle av elektroner ). Strukturerna, som ger resonans och genererar en signal när de absorberar fotoner med specifika våglängder, skapades av legeringar med välkända termoelektriska egenskaper, men forskningen är tillämplig på ett brett spektrum av material, säger författarna.

"Denna forskning är en bro mellan två forskningsfält, nanofotonik och termoelektrik, som inte ofta interagerar, och skapar en väg för samarbete, " säger doktorand Kelly Mauser (MS '16), huvudförfattare till Naturens nanoteknik studie. "Det finns en uppsjö av outforskade och spännande tillämpnings- och forskningsmöjligheter i föreningspunkten mellan dessa två områden."

Studien har titeln "Resonant thermoelectric nanophotonics."