Легкие датчики, которые различают различные цвета света или тепла, используются во множестве заявлений, включая спутники, которые изучают изменяющуюся растительность и пейзаж на Земле и медицинских блоках формирования изображений, которые различают здоровые и раковые клетки на основе их цветных изменений.Новый датчик, описанный в газете по своей природе Нанотехнологии 22 мая, работает приблизительно в 10 – 100 раз быстрее, чем текущие сопоставимые термоэлектрические устройства и способен к обнаружению света через более широкий диапазон электромагнитного спектра, чем традиционные легкие датчики. В традиционных легких датчиках поступающие фотоны света поглощены полупроводником и волнуют электроны, которые захвачены датчиком. Движение этих взволнованных светом электронов производит электрический ток – сигнал – который может быть измерен и определен количественно.
В то время как эффективный, этот тип системы мешает «видеть» инфракрасный свет, который составлен из фотонов более низкой энергии, чем те в видимом свете.Поскольку новые датчики потенциально способны к завоеванию инфракрасных длин волны солнечного света и тепла, которое не может быть собрано эффективно обычными солнечными материалами, технология могла привести к лучшим солнечным батареям и устройствам отображения.«В нанофотонике мы изучаем способ, которым свет взаимодействует со структурами, которые намного меньше, чем сама оптическая длина волны, которая приводит к чрезвычайному заключению света.
В этой работе мы объединили этот признак с особенностями преобразования электроэнергии термоэлектрики, чтобы позволить новый тип оптикоэлектронного устройства», говорит Гарри Атуотер, соответствующий автор исследования. Атуотер – профессор Говарда Хьюза Прикладной Физики и Материаловедения в Подразделении Технических наук и прикладной науки в Калифорнийском технологическом институте и директора Совместного Центра Искусственного Фотосинтеза (JCAP). JCAP – энергетический Инновационный Центр Министерства энергетики (DOE), сосредоточенный на развитии рентабельного метода превращения солнечного света, воды и углекислого газа в топливо. Это во главе с Калифорнийским технологическим институтом с Berkeley Lab как крупный партнер.
Команда Атуотера построила материалы с наноструктурами, которые являются сотнями широких миллимикронов – меньший даже, чем длины волны света, которые представляют видимый спектр, который располагается приблизительно от 400 – 700 миллимикронов.Исследователи создали наноструктуры со множеством ширин, которые поглощают различные длины волны – цвета – света. Когда эти наноструктуры поглощают свет, они производят электрический ток с силой, которая соответствует легкой длине волны, которая поглощена.
Датчики были изготовлены в чистом помещении Института Нанонауки Kavli в Калифорнийском технологическом институте, где команда создала структуры поддлины волны, используя комбинацию смещения пара (который уплотняет тонкие слои атома материала по поверхности от богатого элементом тумана), и литография электронного луча (который тогда сокращает наноразмерные образцы в том материале, используя сосредоточенный луч электронов). Структуры, которые резонируют и производят сигнал, когда они поглощают фотоны с определенными длинами волны, были созданы из сплавов с известными термоэлектрическими свойствами, но исследование применимо к широкому спектру материалов, говорят авторы.
«Это исследование – мост между двумя областями исследования, нанофотоникой и термоэлектрикой, которые не часто взаимодействуют, и создает путь для сотрудничества», говорит аспирант Келли Маузер (MS ’16), ведущий автор исследования Нанотехнологий Природы. «Есть множество неизведанных и захватывающих возможностей применения и исследования на перекрестке этих двух областей».