Инженеры разработали сверхбыстрый датчик света для камер будущего

Ученые под руководством профессора Майкена Миккельсена из Университета Дьюка (США) разработали ультратонкий фотодетектор, который способен улавливать свет практически во всем электромагнитном спектре. При этом устройство работает при комнатной температуре и не требует внешнего питания. Результаты опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.

Разработка может лечь в основу компактных мультиспектральных камер для медицины, контроля качества продуктов и мониторинга сельскохозяйственных посевов.

Почему обычные датчики ограничены

Большинство цифровых камер используют полупроводниковые фотодетекторы. Когда на них падает свет, возникает электрический сигнал, который затем преобразуется в изображение. Но такие датчики чувствительны только к узкому диапазону длин волн — примерно так же, как человеческий глаз воспринимает лишь видимый свет.

Для регистрации излучения за пределами этого диапазона применяют пироэлектрические детекторы. Они работают иначе: сначала материал поглощает излучение, затем немного нагревается и преобразует это тепло в электрический сигнал.

Проблема в том, что такие устройства обычно требуют либо толстого поглощающего слоя, либо очень яркого источника света. В обоих случаях датчики становятся крупнее и реагируют медленнее.

«Коммерческие пироэлектрические детекторы не слишком чувствительны, поэтому им нужен очень яркий свет или очень толстые поглотители. Это неизбежно делает их медленными, потому что тепло распространяется не так быстро. Наш подход объединяет почти идеальные поглотители и сверхтонкие пироэлектрики, благодаря чему время отклика достигает 125 пикосекунд», — объясняет Миккельсен.

Ловушка для света из наноструктур

Ключевой элемент устройства — так называемая метаповерхность. Это искусственно созданный слой из серебряных нанокубов, аккуратно расположенных на прозрачной подложке. Под ними находится тонкая золотая пленка, отделенная всего примерно 10 нанометрами.

Когда свет попадает на крошечные серебряные кубики, электроны в них начинают колебаться. Из-за этого энергия света словно «запирается» внутри структуры и почти полностью поглощается. Какой именно свет будет пойман, зависит от размера кубиков и расстояния между ними. Меняя эти параметры, ученые могут «настроить» поверхность так, чтобы она улавливала разные участки спектра.

Благодаря столь эффективному поглощению под метаповерхностью достаточно очень тонкого пироэлектрического слоя, чтобы преобразовать нагрев в электрический сигнал.

«Считается, что тепловые фотодетекторы должны быть медленными, поэтому для всего сообщества это было ошеломляюще. Мы и сами не ожидали, что устройство будет работать на временах, сопоставимых с кремниевыми фотодетекторами», — говорит Миккельсен.

Рекордная скорость

Оптимизацией устройства несколько лет занимался аспирант Ынсо Шин. В новой версии метаповерхность сделали круглой, увеличив площадь приема света и сократив путь сигнала. Также использовали еще более тонкие пироэлектрические слои и улучшили электронику считывания.

Для измерения быстродействия исследователи использовали систему из двух лазеров с распределенной обратной связью. Такой эксперимент позволил оценить предел скорости без сложного и дорогого оборудования.

В результате детектор смог работать на частотах до 2,8 гигагерца. Это означает, что свет преобразуется в электрический сигнал примерно за 125 пикосекунд, это примерно одна восьмимиллиардная секунды.

«Пироэлектрические фотодетекторы обычно работают в нано- или микросекундном диапазоне, так что это в сотни или тысячи раз быстрее», — отметил Шин.

Возможные применения

По мнению авторов, скорость можно увеличить еще сильнее, если разместить пироэлектрический слой и электронику прямо в зазоре между нанокубами и золотой пленкой.

Команда также тестирует конструкции с несколькими метаповерхностями, которые смогут одновременно различать разные длины волн и поляризацию света.

Если технологию удастся масштабировать, она может стать основой компактных мультиспектральных камер. Такие датчики потенциально пригодятся для спутников, беспилотников и космических аппаратов, а также для диагностики заболеваний, контроля качества пищи и наблюдения за состоянием сельскохозяйственных культур.

«Когда появляется возможность одновременно детектировать множество частот, открывается дверь в огромное число применений. Диагностика рака, безопасность еды, дистанционное зондирование. Все это пока впереди, но именно туда мы движемся», — говорит Миккельсен.