Ingenieure der Duke University in den Vereinigten Staaten haben den schnellsten pyroelektrischen Fotodetektor entwickelt, der jemals aufgezeichnet wurde. Dieses Gerät „erkennt“ Lichtsignale, indem es die in Licht umgewandelte Wärme auffängt, nachdem sie absorbiert wurde. Dieser neue ultradünne Sensor kann bei Raumtemperatur betrieben werden, benötigt keine externe Stromversorgung und kann in ein Chipsystem integriert werden, um auf Licht aus nahezu dem gesamten elektromagnetischen Spektrum zu reagieren. Es wird erwartet, dass es die Entwicklung einer neuen Generation multispektraler Bildgebungstechnologie vorantreibt. Relevante Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlicht.
Derzeit sind die meisten Digitalkamerageräte auf Halbleiter-Lichtdetektoren angewiesen, um sichtbares Licht, das auf ihre Oberflächen fällt, in elektrischen Strom umzuwandeln, der dann von elektronischen Schaltkreisen zu Bildern verarbeitet wird. Das Arbeitsband dieses Gerätetyps ähnelt dem des menschlichen Auges, konzentriert sich hauptsächlich außerhalb des begrenzten sichtbaren Lichtbereichs und verschließt oft die Augen vor elektromagnetischer Strahlung in anderen Bändern. Um ein breiteres Band zu erfassen, nutzen Forscher meist pyroelektrische Detektoren: Wenn das Material Licht absorbiert, erhöht sich seine Temperatur und es entsteht ein elektrisches Signal.
Allerdings waren herkömmliche pyroelektrische Detektoren hinsichtlich der Ansprechleistung Halbleiterlösungen lange Zeit unterlegen. Um ein ausreichendes Signal zu erhalten, benötigt das Gerät oft eine dicke Absorptionsschicht oder sehr starken Lichteinfall, was das Gesamtvolumen sperrig und die Reaktionsgeschwindigkeit langsam macht. Maiken Mikkelsen, Professorin für Elektro- und Computertechnik an der Duke University, weist darauf hin, dass kommerzielle pyroelektrische Detektoren nur begrenzt reagieren und „entweder sehr helles Licht oder eine sehr dicke Absorberschicht erfordern, was von Natur aus langsam ist, weil sich die Wärme selbst nicht sehr schnell ausbreitet.“
Der Durchbruch des Duke-Teams gelang einem Strukturentwurf namens „Metaoberfläche“. Die Forscher ordneten eine große Anzahl von Silber-Nanowürfeln präzise auf einem hauchdünnen Goldfilm an, getrennt durch eine etwa zehn Nanometer dicke transparente Schicht. Wenn Licht auf diese Nanowürfel trifft, regt es Elektronen im Silber an und fängt die Lichtenergie durch einen Plasmoneneffekt in der lokalen Struktur ein. Die spezifischen Wellenlängen, die erfasst werden, hängen von der Größe und dem Abstand der Nanowürfel ab, sodass die Absorptionsfrequenz durch die Konstruktion der Nanostrukturen gesteuert werden kann.
Da diese Nanostruktur Licht so effizient „einfängt“, müssen Forscher nur eine extrem dünne Schicht pyroelektrischen Materials darunter anbringen, um ein ausreichend starkes elektrisches Signal zu erzeugen. Das Team demonstrierte diese Idee erstmals im Jahr 2019, obwohl die Reaktionsgeschwindigkeit damals noch nicht gemessen wurde. „Thermische Fotodetektoren sollten theoretisch sehr langsam sein, daher war das gesamte Fachgebiet überrascht, als wir herausfanden, dass sie Zeitskalen aufwiesen, die denen von Silizium-Fotodetektoren nahe kamen“, erinnert sich Mikkelsen.
In den letzten Jahren hat Eunso Shin, ein Doktorand in Mikkelsens Team, die Gerätestruktur weiter optimiert und eine kostengünstigere Testlösung entwickelt, um die Höchstgeschwindigkeit zu messen, ohne auf teure professionelle Instrumente angewiesen zu sein. Das verbesserte Design verwendet eine kreisförmige Metaoberfläche anstelle einer rechteckigen Struktur, was einerseits die effektive Einfangfläche für einfallendes Licht vergrößert und andererseits den Signalübertragungsweg im Gerät verkürzt. Das Team arbeitet außerdem mit Kollegen zusammen, um dünnere Schichten pyroelektrischer Materialien einzuführen und das Design von Schaltkreisen zum Lesen und Übertragen von Signalen zu verbessern.
Während der Testsitzung baute Shin eine experimentelle Plattform bestehend aus zwei Lasern mit verteilter Rückkopplung. Wenn sich die Laserfrequenz allmählich der Arbeitsgrenze des Fotodetektors nähert, ändert sich die Reaktion des Ausgangssignals des Geräts erheblich, woraus seine tatsächliche Arbeitsgeschwindigkeit abgeleitet werden kann. Die Ergebnisse zeigen, dass der neue Fotodetektor bei Frequenzen von bis zu 2,8 GHz arbeiten kann, was bedeutet, dass er einfallendes Licht in einem Zeitmaßstab von etwa 125 Pikosekunden in ein messbares elektrisches Signal umwandeln kann.
„Pyroelektrische Fotodetektoren arbeiten normalerweise im Nanosekunden- bis Mikrosekundenbereich, und dieses Mal sind die Ergebnisse hunderte oder sogar tausende Male schneller“, sagte Shin und wies darauf hin, dass das Team immer noch daran arbeitet, die Geschwindigkeit weiter zu erhöhen und gleichzeitig die obere Geschwindigkeitsgrenze des physikalischen Mechanismus pyroelektrischer Fotodetektoren zu erkunden.
Mit Blick auf die Anwendungsaussichten glauben die Forscher, dass durch die weitere „Packung“ des pyroelektrischen Materials und der Ausleseschaltung in den schmalen Raum zwischen dem Nanowürfel und dem Goldfilm eine weitere Komprimierung der Gerätedicke und eine Verbesserung der Leistung zu erwarten ist. Darüber hinaus erforschen sie auch die Verwendung mehrschichtiger Metaoberflächenstrukturen, sodass ein einzelnes Gerät mehrere Wellenlängen und deren Polarisationszustände gleichzeitig erfassen kann. Mit der Weiterentwicklung nachfolgender Design-Iterationen und Herstellungsprozesse wird erwartet, dass diese Technologie zu einer neuen Generation leistungsstarker multispektraler Bildgebungssysteme führen wird.
Da solche Detektoren im Betrieb keine externe Stromversorgung benötigen, können sie möglicherweise auf Drohnen, Satelliten und verschiedenen Raumfahrzeugen eingesetzt werden, um langfristige, äußerst manövrierfähige Fernerkundungsmissionen durchzuführen. In Szenarien der Präzisionslandwirtschaft können unbemannte Plattformen, die mit diesem Bildgebungssystem ausgestattet sind, in Echtzeit erkennen, welche Pflanzen bewässert oder gedüngt werden müssen, und so ein präziseres Ressourcenmanagement erreichen. Mikkelsen glaubt, dass, sobald Geräte genügend Frequenzen gleichzeitig erkennen können, „die Tür für Anwendungen wie Hautkrebsdiagnose, Lebensmittelsicherheitserkennung und Fernerkundungsfahrzeuge geöffnet wird. Diese sind noch auf dem Weg, aber das ist die Richtung, in die wir gehen.“