Инженеры разработали сверхбыстрый датчик освещенности для камер будущего

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

Почему обычные датчики ограничены

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

Пироэлектрические детекторы используются для обнаружения излучения за пределами этого диапазона. Они работают по-разному: сначала материал поглощает излучение, затем немного нагревается и преобразует это тепло в электрический сигнал.

Проблема в том, что таким устройствам обычно требуется либо толстый поглощающий слой, либо очень яркий источник света. В обоих случаях сенсоры становятся больше и реагируют медленнее.

"Коммерческие пироэлектрические детекторы не очень чувствительны, поэтому им нужен очень яркий свет или очень толстые поглотители. Это неизбежно замедляет их работу, потому что тепло распространяется не так быстро. Наш подход сочетает в себе почти идеальные поглотители и ультратонкие пироэлектрики, что приводит к времени отклика до 125 пикосекунд", - объясняет Миккельсен.

Световая ловушка из наноструктур

Ключевым элементом устройства является так называемая метаповерхность. Это искусственно созданный слой нанокубов серебра, аккуратно расположенных на прозрачной подложке. Под ними находится тонкая пленка золота, разделенная всего лишь примерно 10 нанометрами.

Когда свет попадает на крошечные серебряные кубики, электроны в них начинают вибрировать. Из-за этого световая энергия словно «запирается» внутри конструкции и почти полностью поглощается. Какой свет будет улавливаться, зависит от размера кубиков и расстояния между ними. Изменяя эти параметры, ученые могут «настроить» поверхность так, чтобы она захватывала разные части спектра.

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

"Тепловые фотодетекторы должны быть медленными, поэтому это ошеломило все сообщество. Мы сами не ожидали, что устройство будет работать в временах, сравнимых с кремниевыми фотодетекторами", - говорит Миккельсен.

Скорость записи

Устройство оптимизировал аспирант Ынсо Шин в течение нескольких лет. В новой версии метаповерхность сделали круглой, увеличив площадь приема света и сократив путь сигнала. Они также использовали еще более тонкие пироэлектрические слои и усовершенствовали считывающую электронику.

Для измерения производительности исследователи использовали систему из двух лазеров с распределенной обратной связью. Этот эксперимент позволил оценить скоростной режим без сложного и дорогостоящего оборудования.

В результате детектор смог работать на частотах до 2,8 гигагерца. Это означает, что свет преобразуется в электрический сигнал примерно за 125 пикосекунд, что составляет примерно одну восьмимиллиардную долю секунды.

«Пироэлектрические фотодетекторы обычно работают в наносекундном или микросекундном диапазоне, поэтому они работают в сотни или тысячи раз быстрее», — отметил Шин.

Возможные применения

По мнению авторов, скорость можно увеличить еще больше, разместив пироэлектрический слой и электронику непосредственно в зазоре между нанокубами и золотой пленкой.

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

Если технологию удастся масштабировать, она может стать основой для компактных мультиспектральных камер. Такие датчики потенциально полезны для спутников, дронов и космических кораблей, а также для диагностики заболеваний, контроля качества продуктов питания и контроля за здоровьем сельскохозяйственных культур.

"Когда вы можете обнаруживать несколько частот одновременно, открывается дверь для огромного количества приложений. Диагностика рака, безопасность пищевых продуктов, дистанционное зондирование. Все это еще впереди, но именно к этому мы движемся", - говорит Миккельсен.