Zmysły ćmy przeniesione do techniki. Powstał wyjątkowy detektor

Nowe podejście do podczerwieni

Kamery termowizyjne kojarzą się z wojskiem, ratownictwem, budownictwem i instalacjami przemysłowymi. Większość czułych detektorów podczerwieni trzeba chłodzić do bardzo niskich temperatur - w dodatku są delikatne i kosztowne, co utrudnia montowanie ich w urządzeniach codziennego użytku.

Tymczasem dzięki rozwojowi techniki specjaliści widzą coraz więcej teoretycznych możliwości zastosowań, w różnych sferach życia - od dronów szukających ludzi po katastrofie, przez czujniki wycieków gazu, po inteligentne systemy oszczędzania energii w domu.

To właśnie ten problem postawili przed sobą autorzy pracy opublikowanej w "Nature Communications". Zadali sobie pytanie, czy da się zbudować niewielki, tani detektor, który działa w temperaturze pokojowej i obejmuje bardzo szeroki zakres podczerwieni, od krótszych fal używanych w łączności i światłowodach, aż po długie fale, w których "świeci" rozgrzane ciało człowieka czy wyciekający gaz.

Dzisiejsze rozwiązania mają wiele ograniczeń. Klasyczne materiały półprzewodnikowe, jak HgCdTe czy InSb, są skuteczne w wykrywaniu podczerwieni, ale wymagają skomplikowanego wzrostu kryształów i mocnego chłodzenia. Z kolei typowe kamery termiczne oparte na bolometrach, czyli elementach mierzących zmianę temperatury, są stosunkowo powolne i potrzebują skomplikowanych mostków termicznych, które izolują piksel od otoczenia. Gdy próbujemy miniaturyzować takie układy, każdy defekt staje się problemem.

Naukowcy z Chin, we współpracy z zespołem fizyków technicznych z Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie, zaproponowali wykorzystanie tzw. materiału kwantowego o płaskich pasmach energetycznych. Wybrali kryształ jodku niobu Nb3I8 - to substancja warstwowa. Można ją uformować w płytkę grubości zaledwie kilku atomów.

W jej wnętrzu elektrony poruszają się w specyficznej, w bardzo złożonej sieci (tzw. kratka kagome). To prowadzi do szczególnych efektów kwantowych, m.in. płaskich pasm energetycznych, które sprawiają, że dla pewnych energii elektrony mają do dyspozycji mnóstwo stanów, ale poruszają się bardzo powoli. Mówimy, że pasmo jest płaskie. Z punktu widzenia detektora to idealna sytuacja, gdyż materiał bardzo chętnie pochłania światło, a energia nie ucieka zbyt szybko.

Zdolności ćmy przeniesione do technologii

Inspiracją do badań była… ćma. Te nocne owady mają oczy czułe na światło i czułki wrażliwe na ciepło. Za dnia widzą zwykły obraz, a w nocy wyczuwają promieniowanie cieplne otoczenia. Badacze próbowali odtworzyć ten podwójny zmysł w jednym, płaskim detektorze.

Przeprowadzili szczegółowe obliczenia kwantowe (DFT), które pokazały, że istotnie badany materiał ma płaskie pasma dla elektronów, ale podobny efekt tworzy także dla drgań sieci krystalicznej, czyli tzw. fononów. Mówiąc prościej, materiał dobrze łapie cząstki promieniowania podczerwonego, czyli fotony, a jednocześnie słabo przewodzi ciepło, więc energia cieplna zostaje tam, gdzie została pochłonięta. W zakresie krótkiej podczerwieni urządzenie działa jak zwykły fotodetektor - wykorzystuje elektrony w płaskich pasmach. Przy dłuższych falach przechodzi w tryb bolometryczny - wyczuwa drobne zmiany temperatury i oporu elektrycznego materiału.

Eksperyment pokazał, że taki jednoelementowy detektor potrafi reagować na promieniowanie cieplne od około 2,5 do 20 mikrometrów długości fali. Jest to zakres obejmujący zarówno techniczne zastosowania (np. komunikacja w światłowodach), jak i typowy zakres kamer termowizyjnych. Co ważne, działa w temperaturze pokojowej, bez kriostatu i ciekłego azotu. Dla inżynierów oznacza to szansę na mniejsze, tańsze i mniej energochłonne moduły.

Naukowcy zbudowali też proste demonstratory. Ten sam detektor posłużył do aktywnego obrazowania przedmiotu oświetlonego lampą, podobnie do zwykłej kamery, oraz do pasywnego obrazowania rozgrzanej spirali czy grotu lutownicy "świecących" jedynie swoim ciepłem. Udało się też zarejestrować słabe promieniowanie cieplne ludzkiej dłoni oraz zbudować wersję elastyczną, którą można przykleić do skóry i używać jako naklejany termometr lub czujnik alarmowy zbliżającego się gorącego obiektu. W osobnych testach urządzenie sprawdziło się także w detekcji gazów metodą podczerwieni.

Jakie będą efekty badań?

Na razie jest mowa jedynie o badaniach na poziomie pojedynczego detektora, a nie gotowej matrycy milionów pikseli. Trzeba jeszcze opracować produkcję, integrację z elektroniką i optyką oraz sprawdzić trwałość materiału w realnych warunkach. Jeśli jednak tę technologię uda się przenieść z laboratorium do fabryki - można się będzie spodziewać tańszych i bardziej dostępnych kamer termowizyjnych w samochodach, smartfonach, systemach smart home. Miniaturowe, energooszczędne detektory podczerwieni są kluczowe m.in. dla autonomicznych aut (widzenie w nocy i we mgle), dronów inspekcyjnych, kontroli wycieków metanu czy monitoringu zużycia energii w budynkach.

• Światło sprzed 13 mld lat. Odkryto ekstremalny "kosmiczny żłobek"
• Wybuch gwiezdnego olbrzyma zniszczyłby atmosferę Ziemi. "To dopiero początek"
• NASA przewidziała koniec życia na Ziemi. Naukowcy obliczyli datę

Źródło: PAP/nł