Engenheiros elétricos da Duke University inventaram o fotodetector piroelétrico mais rápido até agora, um dispositivo que detecta luz detectando pequenas quantidades de calor geradas quando a luz é absorvida.
Sensores ultrafinos podem capturar luz em todo o espectro eletromagnético. Ele opera em temperatura ambiente, não requer fonte de alimentação externa e pode ser integrado diretamente em um sistema no chip. A tecnologia poderá eventualmente permitir uma nova geração de câmaras multiespectrais para utilização em áreas como a detecção do cancro da pele, a monitorização da segurança alimentar e a agricultura em grande escala.
As descobertas foram publicadas na revista Advanced Functional Materials.
Por que os fotodetectores tradicionais têm limitações
A maioria das câmeras digitais depende de fotodetectores semicondutores, que geram corrente elétrica quando iluminados por luz visível. Os computadores então convertem esse sinal nas imagens que vemos.
No entanto, os semicondutores só podem detectar uma pequena porção do espectro eletromagnético. Nesse sentido, são semelhantes aos olhos humanos, que também estão limitados aos comprimentos de onda da luz visível.
Para detectar luz fora dessa faixa, os pesquisadores recorrem frequentemente a detectores piroelétricos. Esses dispositivos geram sinais elétricos quando absorvem a luz incidente e aquecem. Mas a geração de calor suficiente a partir de comprimentos de onda mais difíceis de captar exige tradicionalmente materiais absorventes espessos ou iluminação muito brilhante, tornando esses detectores volumosos e lentos.
“Os detectores piroelétricos comerciais não respondem muito bem, por isso requerem luz muito brilhante ou absorvedores muito grossos para funcionar, o que naturalmente os torna mais lentos porque o calor não se move tão rápido”, disse Maiken Mikkelsen, professor de engenharia elétrica e de computação na Duke University. “Nosso método combina habilmente o tempo de um absorvedor quase perfeito com um corpo elétrico ultrafino para obter um corpo piroelétrico gigante.
O design da metasuperfície captura a luz com eficácia
O dispositivo desenvolvido pelo laboratório de Mixon depende de uma estrutura especialmente projetada chamada metassuperfície. Consiste em nanocubos de prata dispostos com precisão que ficam em uma camada transparente a apenas 10 nanômetros de uma fina folha de ouro.
Quando a luz atinge os nanocubos, ela excita os elétrons da prata. Essa interação captura a energia da luz 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 captura de luz é tão eficiente, apenas uma camada muito fina de material piroelétrico é necessária por baixo da estrutura para gerar um sinal elétrico. A equipe de Mikkelsen demonstrou o conceito pela primeira vez em 2019, embora não tenha sido originalmente configurado para medir a rapidez com que um dispositivo respondia.
“Os fotodetectores térmicos deveriam ser muito lentos, então isso é incrível para toda a comunidade”, disse Mixon. “O que nos pegou desprevenidos foi que ele parecia operar em uma escala de tempo semelhante aos fotodetectores de silício.”
Otimize a velocidade do dispositivo
Nos últimos anos, Eunso Shin, estudante de doutorado no laboratório de Mixon, tem trabalhado para melhorar o design enquanto desenvolve uma forma de medir a velocidade do dispositivo sem depender de equipamentos extremamente caros.
Na versão mais recente do detector, a metassuperfície de absorção de luz foi redesenhada para ser circular em vez de retangular. Esta configuração aumenta a área de superfície exposta à luz incidente enquanto reduz a distância que o sinal elétrico deve percorrer. Os pesquisadores também utilizaram camadas piroelétricas mais finas fornecidas por colaboradores e aprimoraram os circuitos eletrônicos usados para capturar e transmitir o sinal.
Para medir o desempenho do detector, Shin projetou uma configuração experimental usando dois lasers de feedback distribuídos. Quando a frequência do laser se aproxima da velocidade do dispositivo, o laser se intensifica, permitindo aos pesquisadores determinar a rapidez com que o detector responde.
Suas medições mostraram que o fotodetector térmico pode operar em velocidades de até 2,8 GHz. Nesse ritmo, leva apenas 125 picossegundos para que a luz incidente gere um sinal elétrico.
“Os fotodetectores piroelétricos normalmente operam na faixa de nanossegundos a microssegundos e são, portanto, centenas ou milhares de vezes mais rápidos”, disse Shin. “Esses resultados são realmente empolgantes, mas ainda estamos trabalhando para torná-los mais rápidos e, ao mesmo tempo, descobrir os limites cinéticos dos fotodetectores piroelétricos.”
Aplicações futuras da agricultura à medicina
Os pesquisadores acreditam que o dispositivo poderia ser mais rápido colocando o material piroelétrico e os componentes de leitura eletrônica no estreito espaço 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 simultaneamente vários comprimentos de onda de luz e sua polaridade.
À medida que o desenvolvimento continua e os desafios de fabricação são resolvidos, a tecnologia pode abrir as portas para novos e poderosos sistemas de imagem. Como o detector não requer fonte de energia externa, ele pode ser implantado em drones, satélites e naves espaciais.
Esses sistemas podem apoiar a agricultura de precisão, mostrando instantaneamente quais culturas requerem 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 Mixon. “Diagnóstico de câncer, segurança alimentar, veículos de sensoriamento remoto. Tudo isso está muito distante, mas é para lá que estamos indo.”
Esta pesquisa foi apoiada pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea (FA9550-21-1-0312) e pela Fundação Gordon e Betty Moore (GBMF8804).
