Ingenieros eléctricos de la Universidad de Duke han desarrollado el fotodetector piroeléctrico más rápido jamás demostrado, un dispositivo que detecta la luz detectando pequeñas cantidades de calor generadas cuando se absorbe.
Los sensores ultrafinos pueden capturar luz en todo el espectro electromagnético. Funciona a temperatura ambiente, no requiere fuente de alimentación externa y puede integrarse directamente en sistemas en chip. La tecnología podría eventualmente permitir una nueva generación de cámaras multiespectrales con aplicaciones en áreas como la detección del cáncer de piel, el monitoreo de la seguridad alimentaria y la agricultura a gran escala.
Los hallazgos se publican en la revista Advanced Functional Materials.
Por qué los fotodetectores tradicionales tienen límites
La mayoría de las cámaras digitales dependen de fotodetectores semiconductores que generan una corriente eléctrica cuando son impactadas por la luz visible. Luego, las computadoras convierten esa señal en las imágenes que vemos.
Sin embargo, los semiconductores sólo pueden detectar una pequeña porción del espectro electromagnético. En ese sentido, son similares al ojo humano, que también está limitado a longitudes de onda de luz visibles.
Para detectar luz fuera de ese rango, los investigadores suelen recurrir a detectores piroeléctricos. Estos dispositivos generan una señal eléctrica cuando se calientan después de absorber la luz entrante. Pero generar suficiente calor a partir del sólido para capturar las longitudes de onda ha requerido tradicionalmente un material absorbente denso o una iluminación muy brillante, lo que hace que estos detectores sean pesados y lentos.
“Los detectores piroeléctricos comerciales no responden muy bien, por lo que necesitan luz muy brillante o absorbentes muy gruesos para funcionar, lo que naturalmente los hace más lentos porque el calor no se mueve tan rápido”, dijo Miken Mikkelsen, profesor de ingeniería eléctrica e informática en Duke. “Nuestro método integra inteligentemente absorbentes casi perfectos y piroeléctricos ultrafinos para lograr un tiempo de respuesta de 125 picosegundos, una gran mejora para el campo”.
El diseño de Metasurface atrapa la luz de manera eficiente
El dispositivo desarrollado por el laboratorio de Mikkelsen se basa en una estructura especialmente diseñada conocida como metasuperficie. Consiste en nanocubos de plata dispuestos con precisión ubicados en una capa transparente a sólo 10 nanómetros por encima de una fina lámina de oro.
Cuando la luz incide en un nanocubo, excita los electrones de la plata. Esta interacción atrapa la energía luminosa mediante un proceso llamado plasmónico. La frecuencia exacta de la luz capturada depende del tamaño de los nanocubos y del espacio entre ellos.
Debido a que esta trampa de luz es altamente eficiente, sólo se requiere una capa muy delgada de material piroeléctrico debajo de la estructura para generar una señal eléctrica. El equipo de Mikkelsen demostró el concepto por primera vez en 2019, aunque la configuración original no fue diseñada para medir la rapidez con la que podría responder el dispositivo.
“Se supone que los fotodetectores térmicos son lentos, por lo que esto fue alucinante para toda la comunidad”, dijo Mikkelsen. “Nos tomó por sorpresa el hecho de que parece funcionar en la misma escala de tiempo que los fotodetectores de silicio”.
Optimice la velocidad del dispositivo
Durante los últimos años, Yunso Shin, estudiante de doctorado en el laboratorio de Mikkelsen, ha trabajado para perfeccionar el diseño y desarrollar un método para medir la velocidad del dispositivo sin depender de equipos muy costosos.
En la nueva versión del detector, la metasuperficie absorbente de luz se rediseñó para darle una forma circular en lugar de rectangular. Esta configuración aumenta la superficie expuesta a la luz entrante y reduce la distancia que debe recorrer la señal eléctrica. Los investigadores incorporaron capas piroeléctricas aún más delgadas proporcionadas por sus colaboradores y mejoraron los circuitos electrónicos utilizados para capturar y transmitir las señales.
Para medir el rendimiento del detector, Shin creó una configuración experimental utilizando dos láseres de retroalimentación distribuida. Los láseres se intensifican cuando sus frecuencias se acercan a la velocidad de funcionamiento del dispositivo, lo que permite a los investigadores determinar qué tan rápido puede responder el detector.
Sus mediciones muestran que el fotodetector térmico puede funcionar a velocidades de hasta 2,8 GHz. A ese ritmo, la luz entrante produce una señal eléctrica en sólo 125 picosegundos.
“Los fotodetectores piroeléctricos normalmente operan en el rango de nano a microsegundos, por lo que son cientos o miles de veces más rápidos”, dijo Shin. “Estos resultados son realmente interesantes, pero todavía estamos trabajando para hacerlos más rápidos mientras encontramos los límites dinámicos de los fotodetectores piroeléctricos”.
Aplicaciones futuras de la agricultura a la medicina
Los investigadores creen que el dispositivo podría hacerse más rápido colocando elementos piroeléctricos y elementos de lectura electrónica en espacios estrechos entre los nanocubos y la capa de oro. También están explorando formas de ampliar las capacidades del sistema, incluidos diseños que utilizan múltiples metasuperficies para detectar longitudes de onda de luz y su polaridad al mismo tiempo.
A medida que el desarrollo continúa y se abordan los desafíos de fabricación, la tecnología podría abrir la puerta a nuevos y potentes sistemas de imágenes. Como los detectores no requieren energía externa, pueden implementarse en drones, satélites y naves espaciales.
Estos sistemas pueden respaldar la agricultura de precisión al revelar en tiempo real qué cultivos necesitan agua o fertilizantes adicionales.
“Cuando tienes la capacidad de detectar muchas frecuencias a la vez, abres la puerta a muchas cosas diferentes”, dijo Mikkelsen. “El diagnóstico del cáncer, la seguridad alimentaria, los vehículos de detección remota. Aún falta un largo camino por recorrer, pero vamos en esa dirección”.
Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (FA9550-21-1-0312) y la Fundación Gordon y Betty Moore (GBMF8804).
