Nauczymy się widzieć jak ćmy? Naukowcy opracowali przełomowy detektor

• Naukowcy z Chin i Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie opracowali tani detektor termowizyjny działający w temperaturze pokojowej, inspirowany okiem ćmy.
• Detektor wykorzystuje materiał kwantowy o płaskich pasmach energetycznych, kryształ jodku niobu Nb3I8, co pozwala na szerokie zastosowanie w różnorodnych urządzeniach.
• Prototypowy detektor wykazuje szeroki zakres wykrywania podczerwieni i może prowadzić do stworzenia tańszych kamer termowizyjnych w domowych i przemysłowych aplikacjach.

Naukowcy stworzyli detektor na wzór oka ćmy

Kamery termowizyjne kojarzą się z wojskiem, ratownictwem, budownictwem i instalacjami przemysłowymi. Zwykle wymagają one drogich, chłodzonych detektorów, dlatego rzadko trafiają do codziennych urządzeń. Tymczasem rozwój technologii otwiera nowe możliwości ich wykorzystania – od dronów ratunkowych po domowe systemy oszczędzania energii. Autorzy pracy w Nature Communications sprawdzili, czy można stworzyć mały, tani detektor działający w temperaturze pokojowej, obejmujący szeroki zakres podczerwieni – od fal używanych w łączności po te emitowane przez ludzkie ciało czy wyciekający gaz.

Dzisiejsze rozwiązania mają wiele ograniczeń. Klasyczne materiały półprzewodnikowe, jak HgCdTe czy InSb, są skuteczne w wykrywaniu podczerwieni, ale wymagają skomplikowanego wzrostu kryształów i mocnego chłodzenia. Z kolei typowe kamery termiczne oparte na bolometrach, czyli elementach mierzących zmianę temperatury, są stosunkowo powolne i potrzebują skomplikowanych mostków termicznych, które izolują piksel od otoczenia. Gdy próbujemy miniaturyzować takie układy, każdy defekt staje się problemem.

Naukowcy z Chin, we współpracy z zespołem fizyków technicznych z Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie, zaproponowali wykorzystanie tzw. materiału kwantowego o płaskich pasmach energetycznych. Wybrali kryształ jodku niobu Nb3I8. To substancja warstwowa. Można ją uformować w płytkę grubości zaledwie kilku atomów. W jej wnętrzu elektrony poruszają się w specyficznej, bardzo złożonej sieci (tzw. kratka kagome). To prowadzi do szczególnych efektów kwantowych, m.in. płaskich pasm energetycznych, które sprawiają, że dla pewnych energii elektrony mają do dyspozycji mnóstwo stanów, ale poruszają się bardzo powoli. Mówimy, że pasmo jest płaskie. Z punktu widzenia detektora to idealna sytuacja, gdyż materiał bardzo chętnie pochłania światło, a energia nie ucieka zbyt szybko.

Inspiracją do badań była… ćma. Te nocne owady mają oczy czułe na światło i czułki wrażliwe na ciepło. Za dnia widzą zwykły obraz, a w nocy wyczuwają promieniowanie cieplne otoczenia.

Redakcja poleca

Archeolodzy byli zaskoczeni. Odkrycie sięga XIII wieku. "Długo się wahaliśmy"

Naukowcy odkryli materiał cenniejszy niż diament. „Po prostu cudowny”

Podwójny zmysł owada w jednym urządzeniu

Naukowcy przeprowadzili szczegółowe obliczenia kwantowe (DFT), które pokazały, że istotnie badany materiał ma płaskie pasma dla elektronów, ale podobny efekt tworzy także dla drgań sieci krystalicznej, czyli tzw. fononów. Mówiąc prościej, materiał dobrze łapie cząstki promieniowania podczerwonego, czyli fotony, a jednocześnie słabo przewodzi ciepło, więc energia cieplna zostaje tam, gdzie została pochłonięta. W zakresie krótkiej podczerwieni urządzenie działa jak zwykły fotodetektor - wykorzystuje elektrony w płaskich pasmach. Przy dłuższych falach przechodzi w tryb bolometryczny - wyczuwa drobne zmiany temperatury i oporu elektrycznego materiału.

Eksperyment pokazał, że taki jednoelementowy detektor potrafi reagować na promieniowanie cieplne od około 2,5 do 20 mikrometrów długości fali. Jest to zakres obejmujący zarówno techniczne zastosowania (np. komunikacja w światłowodach), jak i typowy zakres kamer termowizyjnych. Co ważne, działa w temperaturze pokojowej, bez kriostatu i ciekłego azotu. Dla inżynierów oznacza to szansę na mniejsze, tańsze i mniej energochłonne moduły.

Termowizja przyszłości: eksperyment ułatwi codzienne życie?

Naukowcy zbudowali też proste demonstratory. Ten sam detektor posłużył do aktywnego obrazowania przedmiotu oświetlonego lampą, podobnie do zwykłej kamery, oraz do pasywnego obrazowania rozgrzanej spirali czy grotu lutownicy „świecących” jedynie swoim ciepłem. Udało się też zarejestrować słabe promieniowanie cieplne ludzkiej dłoni oraz zbudować wersję elastyczną, którą można przykleić do skóry i używać jako naklejany termometr lub czujnik alarmowy zbliżającego się gorącego obiektu. W osobnych testach urządzenie sprawdziło się także w detekcji gazów metodą podczerwieni.

Na razie jest mowa jedynie o badaniach na poziomie pojedynczego detektora, a nie gotowej matrycy milionów pikseli. Jak tłumaczą autorzy badania, trzeba jeszcze opracować produkcję, integrację z elektroniką i optyką oraz sprawdzić trwałość materiału w realnych warunkach. Jeśli jednak tę technologię uda się przenieść z laboratorium do fabryki - można się będzie spodziewać tańszych i bardziej dostępnych kamer termowizyjnych w samochodach, smartfonach, systemach smart home.

Źródło: Radio ZET/PAP