Terahertz (THz) straling is elektromagnetische straling variërend van frequenties van 0,1 THz tot 10 THz, met golflengten tussen 30μm en 3 mm. Betrouwbare detectie van deze straling kan tal van waardevolle toepassingen hebben op het gebied van beveiliging, productinspectie en kwaliteitscontrole.
THz-detectoren kunnen wetshandhavers bijvoorbeeld in staat stellen om potentiële wapens op mensen of in bagage betrouwbaarder te ontdekken. Het kan ook worden gebruikt om natuurlijke omgevingen te bewaken zonder deze te beschadigen of om de kwaliteit van voedsel, cosmetica en andere producten te beoordelen.
Recente studies introduceerden verschillende apparaten en oplossingen voor het detecteren van terahertz-straling. Hoewel enkele van hen veelbelovende resultaten behaalden, zijn hun prestaties op het gebied van gevoeligheid, snelheid, bandbreedte en bedrijfstemperatuur vaak beperkt.
Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT), de Universiteit van Minnesota en andere instituten in de Verenigde Staten en Zuid-Korea hebben onlangs een nieuwe camera ontwikkeld die betrouwbaar THz-straling bij kamertemperatuur kan detecteren en tegelijkertijd de zogenaamde polarisatietoestanden kan karakteriseren. Deze camera, geïntroduceerd in een paper gepubliceerd in Natuur Nanotechnologieis gebaseerd op algemeen verkrijgbare complementaire metaaloxide-halfgeleiders (CMOS), verbeterd met behulp van kwantumdots (dwz halfgeleiderdeeltjes ter grootte van een nm met gunstige opto-elektronische eigenschappen).
“Onze eerdere metingen van elektroluminescentie van quantum dots (QD’s) toonden aan dat ladingsoverdracht daartussen kan worden geïnduceerd door een THz-frequentie lichtpuls,” Keith A. Nelson, Sang-Hyun Oh en Jiaojian (Tristan) Shi, drie van de onderzoekers wie de studie heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org via e-mail. “Het elektrische veld van het licht trekt een elektron van een QD en brengt het over naar een naburige QD. Nadat de THz-puls voorbij is (het is meestal slechts één cyclus van het veld), recombineert het elektron met zijn ouder-QD.”
In hun eerdere werk ontdekten Nelson en zijn collega’s dat de terugkeer van een elektron naar zijn oorspronkelijke ontvangende kwantumdot doorgaans gepaard gaat met de emissie van zichtbaar licht. In hun nieuwe studie wilden ze een apparaat maken dat het waargenomen proces en de resulterende lichtemissie zou gebruiken om THz-pulsen te detecteren.
“Ons doel was om een apparaat te ontwikkelen dat dit mechanisme gebruikt om THz-pulsen te detecteren, door ze om te zetten in zichtbare lichtemissie”, aldus Nelson, Oh en Shi. “We wilden ook andere nieuwe functionaliteiten realiseren die op unieke wijze mogelijk worden gemaakt door zo’n nieuw detectiemechanisme.”
De op CMOS gebaseerde THz-camera die door de onderzoeker is gemaakt, is in twee afzonderlijke fasen in elkaar gezet. Eerst fabriceerden Nelson, Oh, Shi en hun collega’s structuren voor veldverbetering op nanoschaal (dwz geleidende lagen met een patroon met submicron isolerende openingen waarin een invallend THz-veld sterk wordt versterkt). Deze structuren zijn gemaakt met behulp van elektronenstraallithografie, een gebruikelijke methode om patronen op substaten te schrijven of te tekenen. De tweede fase van de montage van de camera omvatte de synthese van kwantumdots en hun afzetting op de veldverbeterende structuren.
“De QD’s die in de isolerende openingen terechtkomen, worden onderworpen aan het verbeterde THz-veld. Hun elektroluminescentie produceert zichtbaar licht dat wordt gedetecteerd met een conventioneel CMOS-element”, leggen Nelson, Oh en Shi uit. “De daadwerkelijke fabricage ervan is complex, maar het is gebaseerd op twee bestaande technologieën en de processen kunnen in afzonderlijke delen worden gescheiden. Gestroomlijnde massaproductie moet dus mogelijk en goedkoop zijn.”
In eerste evaluaties behaalde de THz-detecterende camera die door dit team van onderzoekers was gemaakt opmerkelijke resultaten, door THz-pulsen te detecteren met piekvelden van slechts 10 kVcm-1 bij kamertemperatuur, met een snelle respons en hoge bandbreedte. Het apparaat is ook betaalbaar en kan worden opgeschaald tot waferformaat voor grootschalige beeldvorming of andere grootschalige toepassingen.
In tegenstelling tot andere THz-stralingsdetectoren die in het verleden zijn bedacht, kan de camera van Nelson, Oh en Shi tegelijkertijd zowel de intensiteit van THz-licht als de polarisatietoestanden detecteren. In de toekomst zou het dus nieuwe opwindende mogelijkheden kunnen openen voor de detectie en karakterisering van THz-licht.
“We zijn nu van plan om de qTV-prestaties nog verder te verbeteren, bijvoorbeeld door gebruik te maken van verschillende QD- of OLED-materialen (organische LED’s), gekoelde en versterkte zichtbare detectoren, nog smallere isolerende openingen, enz.”, Voegden de onderzoekers toe. “We hebben voorbereidend werk verricht aan de integratie van qTV-apparaten met een gelijkstroom elektrisch veld, met een idee vergelijkbaar met de ontwikkeling van lawinedetectoren, die de THz-gevoeligheid kunnen verbeteren en de drempel kunnen verlagen. We zijn van plan deze richting verder te onderzoeken om CW of quasi-CW mogelijk te maken THz-detectie. Het upconversion-mechanisme dat we hebben ontdekt, is zo handig dat het zelfs de ontwikkeling van een ultrakleine THz-spectrometer mogelijk zou kunnen maken, waarbij diameter-variërende coax-arrays worden gecombineerd met QD’s.
Meer informatie:
Jiaojian Shi et al., Een polarisatiegevoelige CMOS-terahertz-camera bij kamertemperatuur op basis van quantum-dot-verbeterde terahertz-naar-zichtbare foton-upconversie, Natuur Nanotechnologie (2022). DOI: 10.1038/s41565-022-01243-9
Tijdschrift informatie:
Natuur Nanotechnologie