Engenheiros elétricos da Duke University desenvolveram o fotodetector piroelétrico mais rápido já demonstrado, um dispositivo que detecta luz ao sentir a pequena quantidade de calor que ela produz quando é absorvida.
O sensor ultrafino pode capturar luz em todo o espectro eletromagnético. Ele opera em temperatura ambiente, não requer fonte de energia externa e pode ser integrado diretamente em sistemas em chip. A tecnologia pode eventualmente possibilitar uma nova geração de câmeras multiespectrais com aplicações em áreas como detecção de câncer de pele, monitoramento de segurança alimentar e agricultura em larga escala.
As descobertas foram relatadas na revista Advanced Functional Materials.
Por que os fotodetetores tradicionais têm limites
A maioria das câmeras digitais depende de fotodetetores semicondutores que produzem uma corrente elétrica quando atingidos pela luz visível. Os computadores então convertem esse sinal nas imagens que vemos.
No entanto, os semicondutores só conseguem detectar uma pequena parte do espectro eletromagnético. Nesse sentido, eles são semelhantes ao olho humano, que também é limitado a comprimentos de onda de luz visível.
Para detectar luz fora desse intervalo, os pesquisadores costumam recorrer a detectores piroelétricos. Esses dispositivos produzem um sinal elétrico quando aquecem após absorver a luz que chega. Contudo, gerar calor suficiente a partir de comprimentos de onda mais difíceis de capturar tradicionalmente exigiu materiais absorvedores grossos ou iluminação muito intensa, tornando esses detectores volumosos e lentos.
“Os detectores piroelétricos comerciais não são muito responsivos, então precisam de uma luz muito intensa ou absorvedores muito grossos para funcionar, o que naturalmente os torna lentos porque o calor não se move tão rápido,” disse Maiken Mikkelsen, professor de engenharia elétrica e de computação na Duke. “Nossa abordagem integra de forma inteligente absorvedores quase perfeitos e piroelétricos superfinos para alcançar um tempo de resposta de 125 picosegundos, o que é uma grande melhoria para a área.”
Design de Metasuperfície Captura Luz de Forma Eficiente
O dispositivo desenvolvido pelo laboratório de Mikkelsen depende de uma estrutura projetada especialmente conhecida como metasuperfície. Ela consiste em nanocubos de prata dispostos de forma precisa sobre uma camada transparente, localizada apenas 10 nanômetros acima de uma fina folha de ouro.
Quando a luz atinge um nanocubo, ela excita os elétrons na prata. Essa interação captura a energia da luz através de um processo chamado plasmonica. A frequência exata da luz capturada depende do tamanho dos nanocubos e do espaçamento entre eles.
Como essa captura 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 originalmente o conceito em 2019, embora o arranjo inicial não tenha sido projetado para medir a rapidez com que o dispositivo poderia responder.
“Os fotodetetores térmicos deveriam ser lentos, então isso foi surpreendente para toda a comunidade,” disse Mikkelsen. “Fomos pegos de surpresa ao perceber que parecia estar funcionando em escalas de tempo similares às dos fotodetetores de silício.”
Otimização do Dispositivo para Velocidade
Nos últimos anos, Eunso Shin, um estudante de doutorado no laboratório de Mikkelsen, trabalhou para refinar o design enquanto desenvolvia um método para medir a velocidade do dispositivo sem depender de equipamentos extremamente caros.
Na versão mais recente do detector, a metasuperfície que absorve a luz foi redesenhada em uma forma circular em vez de retangular. Essa configuração aumenta a área da superfície exposta à luz que chega, enquanto reduz a distância que os sinais elétricos devem percorrer. Os pesquisadores também incorporaram camadas piroelétricas ainda mais finas fornecidas por colaboradores e melhoraram a circuitaria eletrônica usada para capturar e transmitir os sinais.
Para medir o desempenho do detector, Shin idealizou um arranjo experimental usando dois lasers de retroalimentação distribuída. Os lasers se intensificaram quando suas frequências se aproximaram da velocidade de operação do dispositivo, permitindo que os pesquisadores determinassem quão rapidamente o detector poderia responder.
As medições mostraram que o fotodetector térmico pode operar a velocidades de até 2.8 GHz. Nesse ritmo, a luz que chega produz um sinal elétrico em apenas 125 picosegundos.
“Fotodetetores piroelétricos normalmente operam na faixa de nanossegundos a microssegundos, então isso é centenas ou milhares de vezes mais rápido,” disse Shin. “Esses resultados são muito empolgantes, mas ainda estamos trabalhando para torná-los ainda mais rápidos enquanto descobrimos o limite cinético dos fotodetetores piroelétricos.”
Aplicações Futuras da Agricultura à Medicina
Os pesquisadores acreditam que o dispositivo pode se tornar ainda mais rápido ao colocar o material piroelétrico e os componentes de leitura eletrônica na estreita lacuna entre os nanocubos e a camada de ouro. Eles também estão explorando maneiras de expandir as capacidades do sistema, incluindo designs que usam várias metasuperfícies para detectar várias comprimentos de onda de luz e sua polaridade simultaneamente.
À medida que o desenvolvimento avança e os desafios de fabricação são resolvidos, a tecnologia pode abrir as portas para novos sistemas de imagem poderosos. Como os detectores não precisam de energia externa, podem ser implantados em drones, satélites e espaçonaves.
Esses sistemas poderiam apoiar a agricultura de precisão, revelando em tempo real quais culturas precisam de mais água ou fertilizante.
“Quando você consegue detectar muitas frequências ao mesmo tempo, abre-se a porta para tantas coisas diferentes,” disse Mikkelsen. “Diagnóstico de câncer, segurança alimentar, veículos de sensoriamento remoto. Essas ainda estão bem distante, mas é para onde estamos indo.”
Esta pesquisa foi apoiada pelo Air Force Office of Scientific Research (FA9550-21-1-0312) e pela Gordon and Betty Moore Foundation (GBMF8804).
