Ricercatori dei Laboratori Nazionali Sandia, La Rice University e il Tokyo Institute of Technology hanno sviluppato un rilevatore di terahertz utilizzando diversi tubi di dimensioni nanoscopiche, creando un film sottile macroscopico che contiene un mix di nanotubi di carbonio metallici e semiconduttori. Credito:Dino Vournas, Laboratori Nazionali Sandia
Ricercatori dei Laboratori Nazionali Sandia, insieme ai collaboratori della Rice University e del Tokyo Institute of Technology, stanno sviluppando nuovi rilevatori di terahertz basati su nanotubi di carbonio che potrebbero portare a miglioramenti significativi nell'imaging medico, selezione dei passeggeri dell'aeroporto, ispezione alimentare e altre applicazioni.
Una carta in Nano lettere rivista, "Rivelatore Terahertz a nanotubi di carbonio, " ha debuttato nell'edizione del 29 maggio della sezione "Just Accepted Manuscripts" della pubblicazione. L'articolo descrive una tecnica che utilizza i nanotubi di carbonio per rilevare la luce nella gamma di frequenze dei terahertz senza raffreddamento.
Storicamente, la gamma di frequenze terahertz, che rientra tra le gamme più convenzionali utilizzate per l'elettronica da un lato e l'ottica dall'altro, ha presentato grandi promesse insieme a fastidiose sfide per i ricercatori, disse François Léonard di Sandia, uno degli autori.
"L'energia fotonica nella gamma dei terahertz è molto più piccola di quella della luce visibile, e semplicemente non abbiamo molti materiali per assorbire quella luce in modo efficiente e convertirla in un segnale elettronico, " disse Léonard. "Quindi dobbiamo cercare altri approcci."
La tecnologia Terahertz offre speranza nella medicina e in altre applicazioni
I ricercatori devono risolvere questo problema tecnico per sfruttare le numerose applicazioni benefiche della radiazione terahertz, ha detto il co-autore Junichiro Kono della Rice University. Onde terahertz, Per esempio, possono facilmente penetrare tessuti e altri materiali e potrebbero fornire modi meno intrusivi per i controlli di sicurezza di persone e merci. L'imaging Terahertz potrebbe essere utilizzato anche nell'ispezione degli alimenti senza influire negativamente sulla qualità degli alimenti.
Forse l'applicazione più entusiasmante offerta dalla tecnologia terahertz, disse Kono, è un potenziale sostituto della tecnologia di risonanza magnetica (MRI) nello screening del cancro e di altre malattie.
"I potenziali miglioramenti delle dimensioni, sollievo, il costo e la mobilità di un rilevatore basato su terahertz sono fenomenali, " ha detto. "Con questa tecnologia, si potrebbe progettare una telecamera di rilevamento terahertz portatile che immagini i tumori in tempo reale, con la massima precisione. E potrebbe essere fatto senza la natura intimidatoria della tecnologia MRI".
I nanotubi di carbonio possono aiutare a colmare il divario tecnico
Sandia, suoi collaboratori e Léonard, in particolare, studiano da anni i nanotubi di carbonio e i relativi nanomateriali. Nel 2008, Léonard è autore di The Physics of Carbon Nanotube Devices, che esamina gli aspetti sperimentali e teorici dei dispositivi a nanotubi di carbonio.
I nanotubi di carbonio sono lunghi, cilindri sottili composti interamente da atomi di carbonio. Mentre i loro diametri sono nell'intervallo da 1 a 10 nanometri, possono essere lunghi fino a diversi centimetri. Il legame carbonio-carbonio è molto forte, quindi resiste a qualsiasi tipo di deformazione.
La comunità scientifica è da tempo interessata alle proprietà terahertz dei nanotubi di carbonio, disse Leonardo, ma praticamente tutta la ricerca fino ad oggi è stata basata su modelli teorici o informatici. Una manciata di articoli ha studiato il rilevamento dei terahertz utilizzando nanotubi di carbonio, ma quelli si sono concentrati principalmente sull'uso di un singolo o singolo fascio di nanotubi.
Il problema, Leonard ha detto, è che la radiazione terahertz richiede tipicamente un'antenna per ottenere l'accoppiamento in un singolo nanotubo a causa delle dimensioni relativamente grandi delle onde terahertz. La Sandia, Il team di ricerca della Rice University e del Tokyo Institute of Technology, però, trovato un modo per creare un rilevatore di occhi piccolo ma visibile ai nudi, sviluppato dal ricercatore di Rice Robert Hauge e dallo studente laureato Xiaowei He, che utilizza film sottili di nanotubi di carbonio senza richiedere un'antenna. La tecnica è quindi suscettibile di semplice fabbricazione e rappresenta uno dei risultati più importanti del team, ha detto Leonard.
Questa fotografia mostra il rilevatore di terahertz sviluppato dai ricercatori dei Sandia National Laboratories, Rice University e il Tokyo Institute of Technology. La radiazione terahertz viene catturata da un film sottile di nanotubi di carbonio contattato da due elettrodi d'oro. Credito:Rice University
"I film sottili di nanotubi di carbonio sono ottimi assorbitori di luce elettromagnetica, " ha spiegato. Nella gamma terahertz, si scopre che i film sottili di questi nanotubi assorbiranno tutta la radiazione terahertz in arrivo. I film di nanotubi sono stati persino definiti "il materiale più nero" per la loro capacità di assorbire efficacemente la luce.
I ricercatori sono stati in grado di avvolgere insieme diversi tubi di dimensioni nanoscopiche per creare un film sottile macroscopico che contiene un mix di nanotubi di carbonio metallici e semiconduttori.
"Cercare di farlo con un diverso tipo di materiale sarebbe quasi impossibile, poiché un semiconduttore e un metallo non potrebbero coesistere su scala nanometrica ad alta densità, " ha spiegato Kono. "Ma questo è quello che abbiamo ottenuto con i nanotubi di carbonio".
La tecnica è fondamentale, Egli ha detto, perché combina le superbe proprietà di assorbimento dei terahertz dei nanotubi metallici e le proprietà elettroniche uniche dei nanotubi di carbonio semiconduttori. Ciò consente ai ricercatori di ottenere un fotorilevatore che non richiede alimentazione per funzionare, con prestazioni paragonabili alla tecnologia esistente.
Un chiaro percorso verso il miglioramento delle prestazioni
Il prossimo passo per i ricercatori, Leonard ha detto, è migliorare il design, ingegneria e prestazioni del rivelatore a terahertz.
Ad esempio, hanno bisogno di integrare una sorgente di radiazione terahertz indipendente con il rivelatore per applicazioni che richiedono una sorgente, ha detto Leonard. Il team deve anche incorporare l'elettronica nel sistema e migliorare ulteriormente le proprietà del materiale dei nanotubi di carbonio.
"Abbiamo alcune idee molto chiare su come possiamo raggiungere questi obiettivi tecnici, " disse Leonardo, aggiungendo che sono benvenute nuove collaborazioni con l'industria o le agenzie governative.
"I nostri risultati tecnici aprono un nuovo percorso per la tecnologia terahertz, e sono particolarmente orgoglioso della natura multidisciplinare e collaborativa di questo lavoro tra tre istituzioni, " Egli ha detto.
Oltre a Sandia, Riso e Tokyo Tech, il progetto ha ricevuto contributi dai ricercatori partecipanti a NanoJapan, un programma estivo di 12 settimane che consente agli studenti matricole e del secondo anno di fisica e ingegneria delle università statunitensi di completare stage di ricerca sulle nanoscienze in Giappone incentrati sulla nanoscienza terahertz.
