Un importante avance en el terreno de los fotodetectores de infrarrojos se ha logrado gracias a la combinación de distintos nanomateriales. Imagen: Orkun Cellek. Fuente: Universidad Estatal de Arizona.
La mejora de las tecnologías empleadas en fotodetectores de infrarrojos es un objetivo importante en áreas como la seguridad, la medicina o las aplicaciones comerciales, sectores en los cuales estos detectores son clave. Un nuevo desarrollo realizado por un grupo de ingenieros de la Universidad Estatal de Arizona, en Estados Unidos, avanza en esa dirección, usando para ello nuevos nanomateriales.
El trabajo de los especialistas ha permitido determinar que la fotodetección de infrarrojos se puede realizar con mayor eficacia mediante el uso de ciertos materiales dispuestos en patrones específicos en sus estructuras a escala atómica. Así se ha indicado en un artículo publicado en la revista especializada Applied Physics Letters, y en una nota de prensa de la Universidad de Arizona.
El significativo avance se ha logrado mediante el uso de múltiples capas ultrafinas de distintos materiales, que poseen solamente algunos nanómetros de espesor. Estas estructuras en capas se combinan para formar las denominadas "superredes", que constituyen el elemento principal del nuevo enfoque.
Los fotodetectores fabricados con estas diferentes capas absorben distintas longitudes de ondas lumínicas y las convierten en una señal eléctrica. La eficiencia de conversión lograda determina la sensibilidad de un fotodetector y la calidad de la detección que proporciona, según explica el ingeniero eléctrico Yong-Hang Zhang, director del grupo de investigación de Arizona.
Estructuras superpuestas de nanomateriales
La característica única de las superredes es que sus longitudes de onda de detección pueden ser optimizadas cambiando el diseño y la composición de las estructuras presentes en las distintas capas. De esta manera, las formas concretas de los materiales a nanoescala en las estructuras superpuestas ayudan a mejorar la sensibilidad de los detectores de infrarrojos.
El trabajo de los especialistas ha permitido determinar que la fotodetección de infrarrojos se puede realizar con mayor eficacia mediante el uso de ciertos materiales dispuestos en patrones específicos en sus estructuras a escala atómica. Así se ha indicado en un artículo publicado en la revista especializada Applied Physics Letters, y en una nota de prensa de la Universidad de Arizona.
El significativo avance se ha logrado mediante el uso de múltiples capas ultrafinas de distintos materiales, que poseen solamente algunos nanómetros de espesor. Estas estructuras en capas se combinan para formar las denominadas "superredes", que constituyen el elemento principal del nuevo enfoque.
Los fotodetectores fabricados con estas diferentes capas absorben distintas longitudes de ondas lumínicas y las convierten en una señal eléctrica. La eficiencia de conversión lograda determina la sensibilidad de un fotodetector y la calidad de la detección que proporciona, según explica el ingeniero eléctrico Yong-Hang Zhang, director del grupo de investigación de Arizona.
Estructuras superpuestas de nanomateriales
La característica única de las superredes es que sus longitudes de onda de detección pueden ser optimizadas cambiando el diseño y la composición de las estructuras presentes en las distintas capas. De esta manera, las formas concretas de los materiales a nanoescala en las estructuras superpuestas ayudan a mejorar la sensibilidad de los detectores de infrarrojos.
El trabajo de Zhang y su equipo ha sido llevado a cabo en el Center for Photonics Innovation de la Universidad de Arizona, concretamente, en el Optoelectronics Group. La investigación adicional en esta área ha sido apoyada a través de una beca de la Air Force Office of Scientific Research, dentro de la Multidisciplinary University Research Initiative (MURI), en la cual la Universidad de Arizona es socia del programa dirigido por la University of Illinois at Urbana-Champaign.
Para obtener el avance en el rendimiento de los fotodetectores, el equipo está utilizando una combinación de arseniuro de indio y antimonio de arseniuro de indio para construir las estructuras superpuestas o superredes. La mencionada combinación permite a los dispositivos generar las condiciones para una mejor detección y una mayor sensibilidad.
Según los investigadores, el propósito es que todos los electrones generados por el dispositivo puedan aprovecharse en el detector de la manera más eficiente posible. En ocasiones, estos electrones se pierden en el interior del dispositivo y nunca son aprovechados en el proceso.
Para obtener el avance en el rendimiento de los fotodetectores, el equipo está utilizando una combinación de arseniuro de indio y antimonio de arseniuro de indio para construir las estructuras superpuestas o superredes. La mencionada combinación permite a los dispositivos generar las condiciones para una mejor detección y una mayor sensibilidad.
Según los investigadores, el propósito es que todos los electrones generados por el dispositivo puedan aprovecharse en el detector de la manera más eficiente posible. En ocasiones, estos electrones se pierden en el interior del dispositivo y nunca son aprovechados en el proceso.
Ventajas de la nueva técnica
Zhang y su equipo explican que una de las principales ventajas de los nuevos materiales empleados es la reducción de la pérdida de electrones excitados ópticamente, lo que aumenta la vida de los mismos en más de 10 veces, con relación a lo que se ha logrado mediante la combinación de otros materiales utilizados tradicionalmente en esta tecnología.
Precisamente el escaso aprovechamiento de los electrones es un parámetro clave, que ha marcado la eficiencia limitada de los fotodetectores de infrarrojos hasta este momento. Otra ventaja es que los fotodetectores desarrollados con estos nanomateriales superpuestos no necesitan refrigeración, como muchos otros dispositivos similares.
Como consecuencia directa de esto, la necesidad de menos enfriamiento reduce la cantidad de energía necesaria para hacer funcionar los fotodetectores, permitiendo que los dispositivos sean más fiables y los sistemas más rentables desde el punto de vista económico, sin dudas un tema clave para su desarrollo industrial y comercial.
Sin embargo, los investigadores creen que aún es posible optimizar en mayor medida las mejoras en los diseños de las estructuras de capas superpuestas de nanomateriales, así como perfeccionar el diseño integral de los dispositivos, permitiendo hallar nuevas combinaciones de materiales capaces de trabajar con mayor eficacia.
Zhang y su equipo explican que una de las principales ventajas de los nuevos materiales empleados es la reducción de la pérdida de electrones excitados ópticamente, lo que aumenta la vida de los mismos en más de 10 veces, con relación a lo que se ha logrado mediante la combinación de otros materiales utilizados tradicionalmente en esta tecnología.
Precisamente el escaso aprovechamiento de los electrones es un parámetro clave, que ha marcado la eficiencia limitada de los fotodetectores de infrarrojos hasta este momento. Otra ventaja es que los fotodetectores desarrollados con estos nanomateriales superpuestos no necesitan refrigeración, como muchos otros dispositivos similares.
Como consecuencia directa de esto, la necesidad de menos enfriamiento reduce la cantidad de energía necesaria para hacer funcionar los fotodetectores, permitiendo que los dispositivos sean más fiables y los sistemas más rentables desde el punto de vista económico, sin dudas un tema clave para su desarrollo industrial y comercial.
Sin embargo, los investigadores creen que aún es posible optimizar en mayor medida las mejoras en los diseños de las estructuras de capas superpuestas de nanomateriales, así como perfeccionar el diseño integral de los dispositivos, permitiendo hallar nuevas combinaciones de materiales capaces de trabajar con mayor eficacia.