Os engenheiros elétricos da Duke University desenvolveram o fotodetector piroelétrico mais rápido já demonstrado, um dispositivo que detecta a luz detectando pequenas quantidades de calor geradas quando ela é absorvida.
Sensores ultrafinos podem capturar luz em todo o espectro eletromagnético. Opera à temperatura ambiente, não requer fonte de alimentação externa e pode ser integrado diretamente em sistemas on-chip. A tecnologia poderá eventualmente permitir uma nova geração de câmaras multiespectrais com aplicações em áreas como a detecção do cancro da pele, a monitorização da segurança alimentar e a agricultura em grande escala.
As descobertas são relatadas na revista Advanced Functional Materials.
Por que os fotodetectores tradicionais têm limites
A maioria das câmeras digitais depende de fotodetectores semicondutores que geram uma corrente elétrica quando atingidos pela luz visível. Os computadores então convertem esse sinal nas imagens que vemos.
No entanto, os semicondutores podem detectar apenas uma pequena porção do espectro eletromagnético. Nesse sentido, são semelhantes ao olho humano, que também está limitado aos comprimentos de onda visíveis da luz.
Os pesquisadores recorrem frequentemente a detectores piroelétricos para detectar luz fora dessa faixa. Esses dispositivos geram um sinal elétrico quando aquecem após absorver a luz que entra. Mas a geração de calor suficiente do sólido para capturar os comprimentos de onda exige tradicionalmente material absorvente denso ou iluminação muito brilhante, tornando esses detectores pesados e lentos.
“Os detectores piroelétricos comerciais não respondem muito bem, por isso precisam de luz muito brilhante ou de absorvedores muito grossos para funcionar, o que naturalmente os torna mais lentos porque o calor não se move tão rápido”, disse Miken Mikkelsen, professor de engenharia elétrica e de computação na Duke. “Nosso método integra de forma inteligente absorvedores quase perfeitos e piroelétricos ultrafinos para atingir um tempo de resposta de 125 picossegundos, uma grande melhoria para o campo.”
O design de metasuperfície retém a luz de forma eficiente
O dispositivo desenvolvido pelo laboratório de Mikkelsen depende de uma estrutura especialmente projetada conhecida como metassuperfície. Consiste em nanocubos de prata dispostos com precisão, localizados em uma camada transparente de apenas 10 nanômetros acima de uma fina folha de ouro.
Quando a luz atinge um nanocubo, ela excita elétrons na prata. Essa interação captura a energia luminosa por meio de um processo chamado plasmônica. A frequência exata da luz capturada depende do tamanho dos nanocubos e do espaçamento entre eles.
Como esta armadilha luminosa é altamente eficiente, apenas uma camada muito fina de material piroelétrico é necessária sob a estrutura para gerar um sinal elétrico. A equipe de Mikkelsen demonstrou o conceito pela primeira vez em 2019, embora a configuração original não tenha sido projetada para medir a rapidez com que o dispositivo poderia responder.
“Os fotodetectores térmicos deveriam ser lentos, então isso foi surpreendente para toda a comunidade”, disse Mikkelsen. “Fomos pegos de surpresa pelo fato de que parece estar operando na mesma escala de tempo que os fotodetectores de silício”.
Otimize o dispositivo para velocidade
Nos últimos anos, Yunso Shin, estudante de doutorado no laboratório de Mikkelsen, trabalhou para refinar o projeto, bem como desenvolver um método para medir a velocidade do dispositivo sem depender de equipamentos muito caros.
Na nova versão do detector, a metassuperfície de absorção de luz foi redesenhada para um formato circular em vez de retangular. Esta configuração aumenta a área de superfície exposta à luz que entra e reduz a distância que o sinal elétrico deve percorrer. Os pesquisadores incorporaram camadas piroelétricas ainda mais finas fornecidas por colaboradores e aprimoraram os circuitos eletrônicos usados para capturar e transmitir os sinais.
Para medir o desempenho do detector, Shin criou uma configuração experimental usando dois lasers de feedback distribuídos. Os lasers intensificam-se quando as suas frequências se aproximam da velocidade de funcionamento do dispositivo, permitindo aos investigadores determinar a rapidez com que o detector pode responder.
Suas medições mostram que o fotodetector térmico pode operar em velocidades de até 2,8 GHz. Nesse ritmo, a luz que entra produz um sinal elétrico em apenas 125 picossegundos.
“Os fotodetectores piroelétricos normalmente operam na faixa de nano a microssegundos, por isso são centenas ou milhares de vezes mais rápidos”, disse Shin. “Esses resultados são realmente empolgantes, mas ainda estamos trabalhando para torná-los mais rápidos enquanto encontramos os limites dinâmicos dos fotodetectores piroelétricos.”
Aplicações futuras da agricultura à medicina
Os pesquisadores acreditam que o dispositivo poderia ser mais rápido colocando elementos piroelétricos e elementos de leitura eletrônica em espaços estreitos entre os nanocubos e a camada de ouro. Eles também estão explorando maneiras de expandir as capacidades do sistema, incluindo projetos que usam múltiplas metassuperfícies para detectar comprimentos de onda de luz e sua polaridade ao mesmo tempo.
À medida que o desenvolvimento continua e os desafios de fabricação são resolvidos, a tecnologia poderá abrir as portas para novos e poderosos sistemas de imagem. Como os detectores não necessitam de energia externa, eles podem ser implantados em drones, satélites e naves espaciais.
Tais sistemas podem apoiar a agricultura de precisão, revelando em tempo real quais culturas necessitam de água ou fertilizantes adicionais.
“Quando você tem a capacidade de detectar muitas frequências ao mesmo tempo, você abre a porta para muitas coisas diferentes”, disse Mikkelsen. “Diagnóstico de câncer, segurança alimentar, veículos de sensoriamento remoto. Ainda há um longo caminho a percorrer, mas estamos caminhando nessa direção”.
Esta pesquisa foi apoiada pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea (FA9550-21-1-0312) e pela Fundação Gordon e Betty Moore (GBMF8804).
