La dottoressa Wendy Sarney utilizza la macchina per epitassia a raggio molecolare presso il laboratorio di ricerca dell'esercito americano per produrre materiali per rivelatori a infrarossi con un nuovo processo di sintesi. Credito:esercito americano
Scienziati dell'U.S. Army Research Laboratory e della Stony Brook University hanno sviluppato un nuovo processo di sintesi per la fabbricazione a basso costo di un materiale precedentemente scartato in letteratura per le termocamere a infrarossi ad alta sensibilità, aprendo nuove possibilità per le future operazioni notturne dell'Esercito.
I dottori dell'ARL Wendy Sarney e Stefan Svensson hanno condotto un nuovo approccio all'utilizzo del semiconduttore InAsSb, un materiale che non è stato utilizzato prima nelle telecamere IR ad alte prestazioni per le lunghezze d'onda più lunghe (10 micron). I migliori materiali per i sensori di luce della telecamera IR sono attualmente basati su HgCdTe, che appartiene alla famiglia dei composti II-VI.
"Sfortunatamente, sono molto costosi, soprattutto perché ci sono solo clienti militari per questo materiale, " ha detto Svensson.
InAsSb è un semiconduttore III-V, che è una classe di materiali utilizzati nell'optoelettronica in molti prodotti commerciali come lettori DVD e telefoni cellulari.
"L'occhio umano è ottimizzato dalla natura per osservare la luce riflessa dal sole in una banda di colori molto stretta (lunghezze d'onda della luce), noto come spettro visibile; però, tutti gli oggetti in natura brillano di una debole luce anche a basse temperature, che produce colori nella gamma dell'infrarosso (IR) che sono invisibili ad occhio nudo. Queste lunghezze d'onda sono circa dieci volte più lunghe di quelle della luce visibile.
Il Molecular Beam Epitaxy (MBE) viene utilizzato dai ricercatori dell'esercito per produrre nuovi materiali per rilevatori a infrarossi basati su InAsSb. Questo è un semiconduttore III-V, una classe di materiali utilizzati anche nell'optoelettronica in molti prodotti commerciali come lettori DVD e telefoni cellulari. Credito:esercito americano
"Utilizzando telecamere in grado di vedere la debole luce IR, i soldati possono operare durante le ore notturne, " ha detto Sarney. "Più sensibile è una telecamera del genere, o in altre parole, più piccole sono le differenze di colore o di temperatura che può vedere, più dettagli possono essere individuati su un campo di battaglia e i nemici possono essere rilevati a distanze maggiori. Le telecamere IR ad alte prestazioni sono quindi estremamente importanti per l'esercito".
La chiave di questa scoperta è stata la realizzazione che il materiale doveva essere non distorto dalla deformazione per vedere a 10 micron. Questa era una grande difficoltà che doveva essere superata prima che InAsSb potesse essere utilizzato come materiale per sensori. Le prestazioni dei dispositivi basati su materiali semiconduttori dipendono anche dalla perfezione cristallina del materiale. InAsSb deve essere depositato su un materiale cristallino di partenza (un substrato) che ha una distanza minore tra gli atomi. Questa discrepanza di dimensioni su scala atomica deve essere gestita molto bene affinché il materiale fotosensibile funzioni correttamente.
Tra i possibili substrati, quelli più grandi e più economici in genere hanno una spaziatura atomica progressivamente più piccola. Nel corso di diversi anni ARL e Stony Brook hanno trovato un modo per gestire il disallineamento della spaziatura atomica culminato nel lavoro attuale che utilizza GaAs come substrato. Questo è il substrato più comune utilizzato nell'industria III-V per numerosi prodotti di consumo. È economico e disponibile in grandi dimensioni. I substrati di grandi dimensioni consentono la produzione di più sensori per fotocamere contemporaneamente, operazione che potrebbe essere eseguita nelle fonderie commerciali. Tutto ciò apre opportunità per produrre telecamere IR di alta qualità per soldati a un costo molto ridotto.
I ricercatori dell'esercito hanno perseguito un nuovo approccio all'utilizzo del semiconduttore InAsSb, un materiale che non è stato utilizzato prima nelle telecamere IR ad alte prestazioni per le lunghezze d'onda più lunghe (10 micron). Qui, il materiale è ingrandito alla scala dei singoli atomi. Credito:esercito americano
ARL e Stony Brook hanno combinato tecniche di mediazione della deformazione per gestire efficacemente la mancata corrispondenza della spaziatura atomica del 10% tra il materiale di rilevamento InAsSb e il substrato di GaAs. Per fare questo, hanno depositato uno strato intermedio di GaSb su GaAs in modo da intrappolare la maggior parte dei difetti causati dal mismatch dimensionale. Hanno quindi aumentato ulteriormente la spaziatura atomica con uno strato graduato che ha anche tenuto i difetti lontani dal materiale del sensore InAsSb.
Il materiale è stato esaminato con microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione per assicurarsi che avesse una qualità strutturale sufficiente. Hanno anche scoperto che la qualità ottica correlata alle proprietà di rilevamento era notevolmente elevata. Questa ricerca mostra un percorso verso una pratica, soluzione a basso costo per l'eventuale messa in campo di sistemi di visione notturna basati su materiali infrarossi a lunghezza d'onda III-V.
