Pesquisadores do Laboratório de Nanofotônica da Rice University demonstraram um método para projetar sensores de imagem integrando amplificadores de luz e filtros de cor diretamente em pixels. Crédito:B. Zheng / Rice University
(Phys.org) —Os pesquisadores da Rice University criaram um compatível com CMOS, fotodetector biomimético de cor que responde diretamente ao vermelho, luz verde e azul da mesma forma que o olho humano.
O novo dispositivo foi criado por pesquisadores do Laboratório de Nanofotônica de Rice (LANP) e é descrito online em um novo estudo na revista. Materiais avançados . Ele usa uma grade de alumínio que pode ser adicionada a fotodetectores de silício com a tecnologia de base da indústria de microchip de silício, "semicondutor de óxido de metal complementar, "ou CMOS.
Os fotodetectores convencionais convertem a luz em sinais elétricos, mas não têm sensibilidade de cor inerente. Para capturar imagens coloridas, os fabricantes de fotodetectores devem adicionar filtros de cores que podem separar uma cena em vermelho, componentes de cor verde e azul. Essa filtragem de cores é comumente feita usando filtros dielétricos ou corantes fora do chip, que se degradam sob a exposição à luz solar e também podem ser difíceis de alinhar com sensores de imagem.
"Os mecanismos de filtragem de cores atuais geralmente envolvem materiais que não são compatíveis com CMOS, mas esta nova abordagem tem vantagens além da integração no chip, "disse a Diretora do LANP Naomi Halas, o principal cientista do estudo. “Também é mais compacto e simples e imita mais de perto a forma como os organismos vivos 'vêem' as cores.
A biomimética não foi um acidente. O fotodetector de cores resultou de um programa de pesquisa de US $ 6 milhões financiado pelo Office of Naval Research que visava imitar a pele de cefalópodes usando "metamateriais, "compostos que confundem a linha entre o material e a máquina.
Cefalópodes como o polvo e a lula são mestres da camuflagem, mas também são daltônicos. Halas disse que a equipe de pesquisa da "pele de lula", que inclui os biólogos marinhos Roger Hanlon, do Laboratório de Biologia Marinha em Woods Hole, Massa., e Thomas Cronin da Universidade de Maryland, Condado de Baltimore, suspeito que os cefalópodes podem detectar a cor diretamente através da pele.
O novo fotodetector de cor biomimético da Rice University usa grades de alumínio como a desta imagem de um microscópio eletrônico de varredura. As fendas de filtragem de luz na grade têm cerca de 100 nanômetros de largura. Crédito:B. Zheng / Rice University
Com base nessa hipótese, Bob Zheng, estudante de graduação do LANP, o autor principal do novo estudo de Materiais Avançados, começou a projetar um sistema fotônico que pudesse detectar luz colorida.
"Bob criou um detector biomimético que emula o que estamos supondo que a pele da lula 'vê, '"Halas disse." Este é um grande exemplo do acaso que pode ocorrer no laboratório. Na busca por uma resposta a uma pergunta específica de pesquisa, Bob criou um dispositivo que é muito mais prático e de aplicação geral. "
O fotodetector de cores de Zheng usa uma combinação de engenharia de banda e grades plasmônicas, estruturas de alumínio em forma de pente com fileiras de fendas paralelas. Usando a evaporação de feixe de elétrons, que é uma técnica comum no processamento CMOS, Zheng depositou uma fina camada de alumínio em um fotodetector de silício coberto com um revestimento de óxido ultrafino.
A seleção de cores é realizada utilizando efeitos de interferência entre a grade plasmônica e a superfície do fotodetector. Ajustando cuidadosamente a espessura do óxido e a largura e espaçamento das fendas, Zheng foi capaz de direcionar preferencialmente cores diferentes para o fotodetector de silício ou refleti-lo de volta para o espaço livre.
As nanoestruturas metálicas usam plasmons de superfície - ondas de elétrons que fluem como um fluido pelas superfícies metálicas. A luz de um comprimento de onda específico pode excitar um plasmon, e os pesquisadores LANP costumam criar dispositivos onde os plasmons interagem, às vezes com efeitos dramáticos.
"Com grades plasmônicas, você não só consegue ajustar as cores, você também pode melhorar os campos próximos, "Zheng disse." A interação de campo próximo aumenta a seção transversal de absorção, o que significa que a grade age como sua própria lente. Você obtém esse afunilamento de luz em uma área concentrada.
"Não estamos apenas usando o fotodetector como um amplificador, também estamos usando o filtro de cor plasmônica como uma forma de aumentar a quantidade de luz que entra no detector, " ele disse.
