La maggiore potenza della nuova tecnica di misurazione per caratterizzare i materiali su scale molto più piccole di qualsiasi tecnologia attuale accelererà la scoperta e l'indagine di 2-D, materiali su micro e nanoscala.

Essere in grado di misurare con precisione le proprietà dei semiconduttori dei materiali in piccoli volumi aiuta gli ingegneri a determinare la gamma di applicazioni per le quali questi materiali potrebbero essere adatti in futuro, soprattutto perché le dimensioni dei dispositivi elettronici e ottici continuano a ridursi.

Daniel Wassermann, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica della Cockrell School of Engineering, ha guidato la squadra che ha costruito il sistema fisico, ha sviluppato la tecnica di misurazione in grado di raggiungere questo livello di sensibilità e ha dimostrato con successo le sue prestazioni migliorate. Il loro lavoro è stato segnalato oggi in Comunicazioni sulla natura .

L'approccio progettuale del team si è concentrato sullo sviluppo della capacità di fornire un feedback quantitativo sulla qualità dei materiali, con particolari applicazioni per lo sviluppo e la produzione di dispositivi optoelettronici. Il metodo dimostrato è in grado di misurare molti dei materiali che gli ingegneri ritengono che un giorno saranno onnipresenti nei dispositivi optoelettronici di prossima generazione.

L'optoelettronica è lo studio e l'applicazione di dispositivi elettronici in grado di fornire, rilevare e controllare la luce. Dispositivi optoelettronici che rilevano la luce, noti come fotorivelatori, utilizzare materiali che generano segnali elettrici dalla luce. I fotorilevatori si trovano nelle fotocamere degli smartphone, celle solari e nei sistemi di comunicazione in fibra ottica che compongono le nostre reti a banda larga. In un materiale optoelettronico, la quantità di tempo in cui gli elettroni rimangono "fotoeccitati, " o in grado di produrre un segnale elettrico, è un indicatore affidabile della potenziale qualità di quel materiale per le applicazioni di fotorilevamento.

L'attuale metodo utilizzato per misurare la dinamica portante, o vite, di elettroni fotoeccitati è costoso e complesso e misura solo campioni di materiale su larga scala con una precisione limitata. Il team di UT ha deciso di provare a utilizzare un metodo diverso per quantificare queste vite inserendo piccoli volumi di materiali in circuiti di risonatore a microonde appositamente progettati. I campioni sono esposti a campi di microonde concentrati mentre si trovano all'interno del risonatore. Quando il campione viene colpito dalla luce, il segnale del circuito a microonde cambia, e la variazione nel circuito può essere letta su un oscilloscopio standard. Il decadimento del segnale a microonde indica le vite dei portatori di carica fotoeccitati in piccoli volumi del materiale posto nel circuito.

"Misurare il decadimento del segnale elettrico (microonde) ci consente di misurare la durata del vettore dei materiali con una precisione molto maggiore, " Wasserman ha detto. "Abbiamo scoperto che è più semplice, metodo più economico ed efficace rispetto agli approcci attuali."

La durata del vettore è un parametro materiale critico che fornisce informazioni sulla qualità ottica complessiva di un materiale, determinando anche la gamma di applicazioni per le quali un materiale potrebbe essere utilizzato quando è integrato nella struttura di un dispositivo fotorilevatore. Per esempio, i materiali che hanno una durata del supporto molto lunga possono essere di alta qualità ottica e quindi molto sensibili, ma potrebbe non essere utile per le applicazioni che richiedono alta velocità.

"Nonostante l'importanza della durata del vettore, non ce ne sono molti, se del caso, opzioni senza contatto per la caratterizzazione di materiali di piccole dimensioni come pixel infrarossi o materiali 2D, che hanno acquisito popolarità e importanza tecnologica negli ultimi anni, " disse Wasserman.

Un'area che sicuramente trarrà vantaggio dalle applicazioni reali di questa tecnologia è il rilevamento a infrarossi, un componente vitale nel rilevamento molecolare, immagini termiche e alcuni sistemi di difesa e sicurezza.

"Una migliore comprensione dei materiali a infrarossi potrebbe portare a innovazioni negli occhiali per la visione notturna o nella spettroscopia a infrarossi e nei sistemi di rilevamento, " disse Wasserman.

I rilevatori ad alta velocità che operano a queste frequenze potrebbero persino consentire lo sviluppo della comunicazione nello spazio libero nell'infrarosso a lunghezza d'onda lunga, una tecnologia che consente la comunicazione wireless in condizioni difficili, nello spazio o tra edifici in ambienti urbani.