I ricercatori dell'Arizona State University stanno trovando modi per migliorare la tecnologia dei fotorivelatori a infrarossi che è fondamentale per i sistemi di difesa e sicurezza nazionali, così come sempre più utilizzato in applicazioni commerciali e prodotti di consumo.

Un significativo progresso è riportato in un recente articolo sulla rivista Lettere di fisica applicata . Descrive in dettaglio la scoperta di come la fotorilevazione a infrarossi può essere eseguita in modo più efficace utilizzando determinati materiali disposti in modelli specifici in strutture su scala atomica.

Viene realizzato utilizzando più strati ultrasottili dei materiali che sono spessi solo diversi nanometri. I cristalli si formano in ogni strato. Queste strutture stratificate vengono quindi combinate per formare i cosiddetti "superreticoli".

Fotorivelatori costituiti da diversi cristalli assorbono diverse lunghezze d'onda della luce e le convertono in un segnale elettrico. L'efficienza di conversione raggiunta da questi cristalli determina la sensibilità di un fotorivelatore e la qualità di rilevamento che fornisce, spiega l'ingegnere elettrico Yong-Hang Zhang.

La proprietà unica dei superreticoli è che le loro lunghezze d'onda di rilevamento possono essere ampiamente sintonizzate modificando il design e la composizione delle strutture stratificate. La precisa disposizione dei materiali su scala nanometrica nelle strutture a superreticolo aiuta a migliorare la sensibilità dei rivelatori a infrarossi, dice Zhang.

Zhang è un professore alla Scuola di Elettrica, Ingegneria Informatica ed Energetica, una delle scuole di ingegneria Ira A. Fulton dell'ASU. Sta conducendo il lavoro sulla ricerca sulla tecnologia a infrarossi nel Center for Photonics Innovation dell'ASU.

Ulteriori ricerche in questo settore sono supportate da una sovvenzione dell'Air Force Office of Scientific Research e da un nuovo programma Multidisciplinary University Research Initiative (MURI) istituito dall'Ufficio di ricerca dell'esercito degli Stati Uniti. ASU è partner del programma condotto dall'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign.

Il programma MURI consente al gruppo di Zhang di accelerare il proprio lavoro collaborando con David Smith, un professore nel Dipartimento di Fisica del College of Liberal Arts and Sciences dell'ASU, e Shane Johnson, un ricercatore senior nelle scuole di ingegneria dell'ASU.

Il team sta usando una combinazione di arseniuro di indio e antimoniuro di arseniuro di indio per costruire le strutture del superreticolo. La combinazione consente ai dispositivi di generare fotoelettroni necessari per fornire rilevamento e imaging del segnale a infrarossi, dice Elizabeth Steenbergen, uno studente di dottorato in ingegneria elettrica che ha eseguito esperimenti sui materiali supperlattice con i collaboratori dell'Army Research Lab.

"In un fotorilevatore, la luce crea elettroni. Gli elettroni emergono dal fotorivelatore sotto forma di corrente elettrica. Leggiamo la grandezza di questa corrente per misurare l'intensità della luce infrarossa, " lei dice.

"In questa catena, vogliamo che tutti gli elettroni vengano raccolti dal rivelatore nel modo più efficiente possibile. Ma a volte questi elettroni si perdono all'interno del dispositivo e non vengono mai raccolti, " dice il membro del team Orkun Cellek, un associato di ricerca post-dottorato in ingegneria elettrica.

Zhang afferma che l'uso dei nuovi materiali da parte del team sta riducendo questa perdita di elettroni otticamente eccitati, che aumenta la durata del vettore degli elettroni di oltre 10 volte rispetto a quanto ottenuto da altre combinazioni di materiali tradizionalmente utilizzati nella tecnologia. La durata del vettore è un parametro chiave che in passato ha limitato l'efficienza del rivelatore.

Un altro vantaggio è che i fotorivelatori a infrarossi realizzati con questi materiali a superreticolo non necessitano di tanto raffreddamento. Tali dispositivi vengono raffreddati per ridurre la quantità di corrente indesiderata all'interno dei dispositivi che può "seppellire" i segnali elettrici, dice Zhang.

La necessità di un minor raffreddamento riduce la quantità di energia necessaria per far funzionare i fotorilevatori, che renderà i dispositivi più affidabili e i sistemi più economici.

I ricercatori affermano che è ancora possibile apportare miglioramenti nei progetti di stratificazione delle intricate strutture del superreticolo e nello sviluppo di progetti di dispositivi che consentiranno alle nuove combinazioni di materiali di funzionare in modo più efficace.

I progressi promettono di migliorare tutto, dalle armi guidate e dai sofisticati sistemi di sorveglianza ai sistemi di sicurezza industriale e domestica, l'uso del rilevamento a infrarossi per l'imaging medico e come strumento di sicurezza stradale per la guida notturna o durante tempeste di sabbia o nebbia fitta.

"Saresti in grado di vedere le cose davanti a te sulla strada molto meglio che con qualsiasi faro, " dice Cellek.