Pesquisadores da Arizona State University estão encontrando maneiras de melhorar a tecnologia fotodetectora de infravermelho, que é crítica para os sistemas de defesa e segurança nacionais, bem como cada vez mais usado em aplicações comerciais e produtos de consumo.

Um avanço significativo é relatado em um artigo recente na revista Cartas de Física Aplicada . Ele detalha a descoberta de como a fotodetecção infravermelha pode ser feita de forma mais eficaz, usando certos materiais dispostos em padrões específicos em estruturas em escala atômica.

Isso está sendo realizado com o uso de várias camadas ultrafinas de materiais que têm apenas vários nanômetros de espessura. Os cristais são formados em cada camada. Essas estruturas em camadas são então combinadas para formar o que é denominado "superredes".

Fotodetectores feitos de diferentes cristais absorvem diferentes comprimentos de onda de luz e os convertem em um sinal elétrico. A eficiência de conversão alcançada por esses cristais determina a sensibilidade de um fotodetetor e a qualidade de detecção que ele fornece, explica o engenheiro elétrico Yong-Hang Zhang.

A propriedade única das superredes é que seus comprimentos de onda de detecção podem ser amplamente ajustados, alterando-se o projeto e a composição das estruturas em camadas. Os arranjos precisos dos materiais em nanoescala em estruturas de superrede ajudam a aumentar a sensibilidade dos detectores infravermelhos, Zhang diz.

Zhang é professor da Escola de Elétrica, Engenharia Informática e Energética, uma das Escolas de Engenharia Ira A. Fulton da ASU. Ele está liderando o trabalho de pesquisa de tecnologia de infravermelho no Centro de Inovação em Fotônica da ASU.

Pesquisas adicionais nesta área estão sendo apoiadas por uma bolsa do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea e um novo programa de Iniciativa de Pesquisa Universitária Multidisciplinar (MURI) estabelecido pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA. A ASU é parceira do programa liderado pela Universidade de Illinois em Urbana-Champaign.

O programa MURI está permitindo ao grupo de Zhang acelerar seu trabalho em parceria com David Smith, professor do Departamento de Física da Faculdade de Artes e Ciências Liberais da ASU, e Shane Johnson, um cientista pesquisador sênior nas escolas de engenharia da ASU.

A equipe está usando uma combinação de arsenieto de índio e antimoneto de arsenieto de índio para construir as estruturas da superrede. A combinação permite que dispositivos gerem fotoelétrons necessários para fornecer detecção de sinal infravermelho e imagem, diz Elizabeth Steenbergen, um estudante de doutorado em engenharia elétrica que realizou experimentos nos materiais da super rede com colaboradores do Laboratório de Pesquisa do Exército.

"Em um fotodetector, a luz cria elétrons. Os elétrons emergem do fotodetector como corrente elétrica. Lemos a magnitude desta corrente para medir a intensidade da luz infravermelha, " ela diz.

“Nesta cadeia, queremos que todos os elétrons sejam coletados do detector da forma mais eficiente possível. Mas às vezes esses elétrons se perdem dentro do dispositivo e nunca são coletados, "diz o membro da equipe Orkun Cellek, um associado de pesquisa de pós-doutorado em engenharia elétrica.

Zhang diz que o uso de novos materiais pela equipe está reduzindo essa perda de elétrons opticamente excitados, o que aumenta a vida útil dos portadores de elétrons em mais de 10 vezes o que foi alcançado por outras combinações de materiais tradicionalmente usados ​​na tecnologia. A vida útil do portador é um parâmetro importante que limitou a eficiência do detector no passado.

Outra vantagem é que os fotodetectores infravermelhos feitos desses materiais de superrede não precisam de tanto resfriamento. Tais dispositivos são resfriados como forma de reduzir a quantidade de corrente indesejada dentro dos dispositivos que podem "enterrar" os sinais elétricos, Zhang diz.

A necessidade de menos resfriamento reduz a quantidade de energia necessária para operar os fotodetectores, o que tornará os dispositivos mais confiáveis ​​e os sistemas mais econômicos.

Os pesquisadores dizem que melhorias ainda podem ser feitas nos projetos de camadas das intrincadas estruturas super-rede e no desenvolvimento de projetos de dispositivos que permitirão que as novas combinações de materiais funcionem de forma mais eficaz.

Os avanços prometem melhorar tudo, desde armamento guiado e sistemas sofisticados de vigilância a sistemas de segurança industrial e doméstica, o uso de detecção infravermelha para imagens médicas e como uma ferramenta de segurança rodoviária para dirigir à noite ou durante tempestades de areia ou nevoeiro intenso.

"Você seria capaz de ver as coisas à sua frente na estrada muito melhor do que com qualquer farol, "Cellek diz.