米国のデューク大学の技術者は、これまでに記録された中で最速の焦電光検出器を開発しました。このデバイスは、吸収後に光に変換された熱を捕捉することで光信号を「感知」します。この新しい超薄型センサーは室温で動作でき、外部電源を必要とせず、チップ システムに統合してほぼ全電磁スペクトルの光に応答できます。新世代のマルチスペクトルイメージング技術の開発を促進することが期待されています。関連する研究結果は、学術誌「Advanced Functional Materials」に掲載されています。
現在、ほとんどのデジタル カメラ機器は、半導体光検出器を利用して、その表面に当たる可視光を電流に変換し、電子回路によって処理されて画像を形成します。このタイプのデバイスの動作帯域は人間の目の帯域に似ており、主に限られた可視光範囲の外側に集中しており、他の帯域の電磁放射には「目をつぶる」ことがよくあります。より広い帯域を検出するために、研究者は通常、焦電検出器を使用します。材料が光を吸収すると、その温度が上昇し、電気信号が生成されます。
しかし、従来の焦電検出器は応答性能の点で半導体ソリューションに比べて長い間劣っていました。十分な信号を得るために、デバイスは厚い吸収層や非常に強い入射光を必要とすることが多く、そのため全体の体積が大きくなり、応答速度が遅くなります。デューク大学の電気・コンピュータ工学教授、マイケン・ミケルセン氏は、市販の焦電検出器の応答性には限界があり、「非常に明るい光か、非常に厚い吸収層が必要だが、熱自体はあまり早く伝わらないため当然反応が遅い」と指摘する。
デューク大学のチームの躍進は、「メタサーフェス」と呼ばれる構造設計によってもたらされました。研究者らは、厚さ約10ナノメートルの透明層で分離された極薄の金膜の上に多数の銀ナノキューブを正確に配置した。光がこれらのナノキューブに当たると、銀内の電子が励起され、プラズモン効果によって光エネルギーが局所構造に閉じ込められます。捕捉される特定の波長はナノキューブのサイズと間隔に依存し、ナノ構造のエンジニアリングを通じて吸収周波数を制御できるようになります。
このナノ構造は光を「捕捉」するのに非常に効率的であるため、研究者はその下に非常に薄い焦電材料の層を配置するだけで十分に強い電気信号を生成できます。チームは 2019 年にこのアイデアを初めて実証しましたが、その時点では応答速度は測定されていませんでした。 「熱型光検出器は理論的には非常に遅いはずなので、シリコン光検出器に近い時間スケールを示すことがわかったとき、分野全体が驚きました」とミケルセン氏は回想します。
近年、ミケルセン氏のチームの博士課程学生であるウンソ・シン氏は、デバイス構造をさらに最適化し、高価な専門機器に頼らずに最高速度を測定するための低コストのテストソリューションを設計した。アップグレードされた設計では、長方形構造の代わりに円形のメタサーフェスを使用することで、一方では入射光の有効捕捉領域が増加し、他方ではデバイス内の信号伝送経路が短縮されています。同チームは共同研究者と協力して、焦電材料のより薄い層を導入し、信号の読み取りと送信に使用される回路の設計を改善している。
テスト セッション中に、シン氏は 2 つの分散フィードバック レーザーで構成される実験プラットフォームを構築しました。レーザー周波数が徐々に光検出器の動作限界に近づくと、デバイスの出力信号の応答が大幅に変化し、そこから実際の動作速度を推定できます。結果は、新しい光検出器が最大 2.8 GHz の周波数で動作できることを示しています。これは、入射光を約 125 ピコ秒の時間スケールで測定可能な電気信号に変換できることを意味します。
「焦電光検出器は通常、ナノ秒からマイクロ秒の範囲で動作しますが、今回の結果は数百倍、さらには数千倍も高速です」とシン氏は述べ、研究チームは焦電光検出器の物理的メカニズムの速度の上限を調査しながら、さらなる速度向上に取り組んでいると述べた。
研究者らは応用の見通しを楽しみにして、ナノキューブと金膜の間の狭い空間に焦電材料と読み出し回路をさらに「詰め込む」ことで、デバイスの厚さを引き続き圧縮し、性能を向上させることが期待できると考えている。さらに、単一のデバイスで複数の波長とその偏光状態を同時に検出できるように、多層メタサーフェス構造の使用も検討しています。その後の設計の反復と製造プロセスが成熟するにつれて、この技術は新世代の強力なマルチスペクトル イメージング システムにつながることが期待されています。
このような検出器は動作時に外部電源を必要としないため、ドローン、人工衛星、さまざまな宇宙船に導入して、長期にわたる機動性の高いリモートセンシングミッションを実行できる可能性があります。精密農業シナリオでは、このイメージング システムを搭載した無人プラットフォームにより、灌漑や施肥が必要な作物をリアルタイムで特定し、より正確な資源管理を実現できます。ミケルセン氏は、デバイスが十分な周波数を同時に検出できるようになれば、「皮膚がんの診断、食品の安全性の検出、リモートセンシング車両などの用途への扉が開かれるだろう。これらはまだ途中だが、それがわれわれの目指す方向だ」と信じている。