Engenheiros elétricos da Duke University criaram o fotodetector piroelétrico mais rápido já demonstrado, um dispositivo que detecta a luz detectando a pequena quantidade de calor que ela emite quando absorvida.
O sensor ultrafino pode capturar luz em todo o espectro eletromagnético. Ele opera em temperatura ambiente, não requer fonte de alimentação externa e pode ser integrado diretamente em sistemas em um 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 foram publicadas na revista Advanced Functional Materials.
Por que os fotodetectores tradicionais têm limitações
A maioria das câmeras digitais depende de fotodetectores semicondutores que produzem uma corrente elétrica quando a luz visível as atinge. Os computadores então convertem esse sinal nas imagens que vemos.
No entanto, os semicondutores podem detectar apenas uma pequena parte do espectro eletromagnético. Nesse sentido, são semelhantes ao olho humano, que também se limita aos comprimentos de onda visíveis da luz.
Para detectar luz fora dessa faixa, os pesquisadores recorrem frequentemente a detectores piroelétricos. Esses dispositivos emitem um sinal elétrico quando aquecem após absorver a luz que entra. Mas a geração de calor suficiente a partir de comprimentos de onda mais difíceis de detectar 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 precisam de luz muito brilhante ou de absorvedores muito grossos para funcionar, o que naturalmente os torna lentos porque o calor não viaja tão rápido”, disse Miken Mikkelsen, professor de engenharia elétrica e de computação na Duke. “Nossa abordagem combina absorvedores quase perfeitos e piroelétricos ultrafinos para atingir um tempo de resposta de 125 picossegundos, o que é uma grande melhoria para o campo.”
O design da metasuperfície retém a luz de forma eficaz
O dispositivo, desenvolvido pelo laboratório de Mikkelsen, depende de uma estrutura especialmente projetada conhecida como metassuperfície. Consiste em nanocubos de prata dispostos com precisão, colocados em uma camada transparente de apenas 10 nanômetros acima de uma fina folha de ouro.
Quando a luz atinge o nanocubo, 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 da distância entre eles.
Como esta captação de luz é extremamente 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 inicial não tenha sido projetada para medir a capacidade de resposta do dispositivo.
“Os fotodetectores térmicos deveriam ser lentos, então isso surpreendeu toda a comunidade”, disse Mikkelsen. “Ficamos surpresos com o fato de que parecia funcionar em escalas de tempo semelhantes às dos fotodetectores de silício”.
Otimize seu dispositivo para velocidade
Nos últimos anos, Yunseo Shin, estudante de pós-graduação no laboratório de Mikkelsen, tem trabalhado para refinar o projeto enquanto desenvolve um método para medir a velocidade do dispositivo sem depender de equipamentos muito 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 recebida enquanto reduz a distância que os sinais elétricos devem percorrer. Os pesquisadores também incorporaram camadas piroelétricas ainda mais finas fornecidas pelos colaboradores e aprimoraram os circuitos eletrônicos usados para captar e transmitir os sinais.
Para medir o desempenho do detector, Shin projetou uma configuração experimental usando dois lasers com feedback distribuído. Os lasers foram aumentados à medida que as suas frequências se aproximavam da velocidade de funcionamento do dispositivo, permitindo aos investigadores determinar a rapidez com que o detector poderia responder.
Suas medições mostraram que o fotodetector térmico pode operar em velocidades de até 2,8 GHz. Nessa velocidade, a luz que entra cria um sinal elétrico em apenas 125 picossegundos.
“Os fotodetectores piroelétricos normalmente operam na faixa de nanossegundos a microssegundos, então isso é centenas ou milhares de vezes mais rápido”, disse Shin. “Esses resultados são realmente emocionantes, mas ainda estamos trabalhando para torná-los ainda mais rápidos enquanto descobrimos o limite cinético dos fotodetectores piroelétricos.”
Aplicações futuras da agricultura à medicina
Os pesquisadores sugerem que o dispositivo poderia se tornar ainda mais rápido colocando o material piroelétrico e os componentes de leitura eletrônica em um espaço estreito 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 suas polaridades.
À medida que o desenvolvimento continua e os desafios de fabricação são resolvidos, esta 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.
Esses sistemas podem apoiar a agricultura de precisão, detectando em tempo real quais culturas necessitam de água ou fertilizantes adicionais.
“Quando você consegue 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 está muito longe, 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).
