结合了纳米光子学和热电学工程师可以制造出能够区分光波长微小差异的材料

2019-10-21 08:24:07

加州理工学院的工程师首次开发了一种光检测器,该光检测器结合了两种不同的技术-可以处理纳米级光的纳米光子技术和可以将温度差直接转换为电子电压的热电学-可以区分不同波长(颜色)的光,包括高分辨率的可见光和红外波长。

区分光或热的不同颜色的光检测器用于多种应用,包括研究地球上不断变化的植被和景观的卫星,以及根据颜色变化区分健康和癌细胞的医学成像仪。

这种新型探测器在5月22日发表在《自然纳米技术》上的一篇论文中进行了描述,其运行速度是当前同类热电装置的10到100倍,并且能够检测到比传统光探测器更宽的电磁光谱范围内的光。在传统的光检测器中,入射的光子在半导体中被吸收并激发被检测器捕获的电子。这些受光激发的电子的运动会产生可以测量和量化的电流-信号。这种系统虽然有效,但很难“看到”红外光,该红外光由能量比可见光低的光子组成。

由于新的探测器有可能捕获常规太阳能材料无法有效收集的太阳光和热的红外波长,因此该技术可以带来更好的太阳能电池和成像设备。

“在纳米光子学中,我们研究了光与比光波长本身小得多的结构相互作用的方式,这导致了光的极端局限。在这项工作中,我们将这一属性与热电的功率转换特性结合在一起,从而实现了新的应用。类型的光电设备”,该研究的通讯作者哈里·阿特沃特(Harry Atwater)说。Atwater是加州理工学院工程与应用科学系的霍华德·休斯应用物理和材料科学教授,也是人工光合作用联合中心(JCAP)的主任。JCAP是能源部(DOE)的能源创新中心,致力于开发一种将太阳光,水和二氧化碳转化为燃料的经济有效的方法。它由加州理工学院领导,伯克利实验室为主要合作伙伴。

Atwater的团队制造的材料具有数百纳米宽的纳米结构-甚至比代表可见光谱的光波长(约400至700纳米)还要小。

研究人员创造了具有各种宽度的纳米结构,可以吸收不同波长(颜色)的光。当这些纳米结构吸收光时,它们会产生强度与被吸收的光波长相对应的电流。

这些探测器是在Caltech的Kavli纳米科学研究所的洁净室中制造的,该团队使用气相沉积(从富含元素的雾中凝结表面上一层原子薄的材料层)和电子束光刻(然后使用聚焦的电子束切割该材料中的纳米级图案。作者说,这种结构是由具有众所周知的热电特性的合金制成的,当它们吸收特定波长的光子时会产生共振并产生信号,但这项研究适用于多种材料。

《自然纳米技术》研究的主要作者,研究生凯利·毛瑟(MS '16)说:“这项研究是纳米光子学和热电学这两个研究领域之间的桥梁,它们不经常相互作用,并为合作创造了一条途径。” “在这两个领域的交界处,存在大量未开发且令人兴奋的应用和研究机会。”

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