Investigadores de Sandia National Laboratories, La Universidad de Rice y el Instituto de Tecnología de Tokio desarrollaron un detector de terahercios utilizando varios tubos de tamaño nanoscópico, creando una fina película macroscópica que contiene una mezcla de nanotubos de carbono metálicos y semiconductores. Crédito:Dino Vournas, Laboratorios Nacionales Sandia
Investigadores de Sandia National Laboratories, junto con colaboradores de Rice University y el Instituto de Tecnología de Tokio, están desarrollando nuevos detectores de terahercios basados en nanotubos de carbono que podrían conducir a mejoras significativas en las imágenes médicas, inspección de pasajeros del aeropuerto, inspección de alimentos y otras aplicaciones.
Un papel en Nano letras diario, "Detector de terahercios de nanotubos de carbono, "debutó en la edición del 29 de mayo de la sección" Manuscritos recién aceptados "de la publicación. El artículo describe una técnica que utiliza nanotubos de carbono para detectar luz en el rango de frecuencia de terahercios sin enfriamiento.
Históricamente, El rango de frecuencia de terahercios, que se encuentra entre los rangos más convencionales utilizados para la electrónica en un extremo y la óptica en el otro, ha presentado una gran promesa junto con desafíos irritantes para los investigadores. dijo François Léonard de Sandia, uno de los autores.
"La energía fotónica en el rango de terahercios es mucho menor que la de la luz visible, y simplemente no tenemos muchos materiales para absorber esa luz de manera eficiente y convertirla en una señal electrónica, ", dijo Léonard." Así que tenemos que buscar otros enfoques ".
La tecnología de terahercios ofrece esperanza en la medicina y otras aplicaciones
Los investigadores deben resolver este problema técnico para aprovechar las numerosas aplicaciones beneficiosas de la radiación de terahercios. dijo el coautor Junichiro Kono de Rice University. Ondas de terahercios, por ejemplo, puede penetrar fácilmente la tela y otros materiales y podría proporcionar formas menos intrusivas para controles de seguridad de personas y carga. Las imágenes de terahercios también podrían usarse en la inspección de alimentos sin afectar negativamente la calidad de los alimentos.
Quizás la aplicación más interesante que ofrece la tecnología de terahercios, dijo Kono, es un posible reemplazo de la tecnología de imágenes por resonancia magnética (MRI) en la detección del cáncer y otras enfermedades.
"Las posibles mejoras de tamaño, facilidad, el costo y la movilidad de un detector basado en terahercios son fenomenales, ", dijo." Con esta tecnología, posiblemente podría diseñar una cámara de detección de terahercios portátil que muestre tumores en tiempo real, con precisión milimétrica. Y podría hacerse sin la naturaleza intimidante de la tecnología de resonancia magnética ".
Los nanotubos de carbono pueden ayudar a cerrar la brecha técnica
Sandia, sus colaboradores y Léonard, en particular, han estado estudiando nanotubos de carbono y nanomateriales relacionados durante años. En 2008, Léonard es autor de La física de los dispositivos de nanotubos de carbono, que analiza los aspectos experimentales y teóricos de los dispositivos de nanotubos de carbono.
Los nanotubos de carbono son largos, cilindros delgados compuestos enteramente por átomos de carbono. Si bien sus diámetros están en el rango de 1 a 10 nanómetros, pueden tener hasta varios centímetros de largo. El enlace carbono-carbono es muy fuerte, por lo que resiste cualquier tipo de deformación.
La comunidad científica ha estado interesada durante mucho tiempo en las propiedades de terahercios de los nanotubos de carbono, dijo Léonard, pero prácticamente toda la investigación hasta la fecha ha sido teórica o basada en modelos informáticos. Un puñado de artículos han investigado la detección de terahercios utilizando nanotubos de carbono, pero esos se han centrado principalmente en el uso de un solo paquete de nanotubos.
El problema, Léonard dijo:es que la radiación de terahercios normalmente requiere una antena para lograr el acoplamiento en un solo nanotubo debido al tamaño relativamente grande de las ondas de terahercios. La sandia Equipo de investigación de la Universidad Rice y del Instituto de Tecnología de Tokio, sin embargo, encontró una manera de crear un detector pequeño pero visible a simple vista, desarrollado por el investigador de Rice Robert Hauge y el estudiante graduado Xiaowei He, que utiliza películas delgadas de nanotubos de carbono sin necesidad de antena. Por lo tanto, la técnica es susceptible de fabricación simple y representa uno de los logros más importantes del equipo. Dijo Léonard.
Esta fotografía muestra el detector de terahercios desarrollado por investigadores de Sandia National Laboratories, Rice University y el Instituto de Tecnología de Tokio. La radiación de terahercios es capturada por una película delgada de nanotubos de carbono que se pone en contacto con dos electrodos de oro. Crédito:Universidad de Rice
"Las películas delgadas de nanotubos de carbono absorben muy bien la luz electromagnética, ", explicó. En el rango de terahercios, resulta que las películas delgadas de estos nanotubos absorberán toda la radiación entrante en terahercios. Las películas de nanotubos incluso se han denominado "el material más negro" por su capacidad para absorber la luz de forma eficaz.
Los investigadores pudieron envolver juntos varios tubos de tamaño nanoscópico para crear una película delgada macroscópica que contiene una mezcla de nanotubos de carbono metálicos y semiconductores.
"Intentar hacer eso con un tipo de material diferente sería casi imposible, Dado que un semiconductor y un metal no pueden coexistir a nanoescala a alta densidad, "explicó Kono." Pero eso es lo que hemos logrado con los nanotubos de carbono ".
La técnica es clave, él dijo, porque combina las magníficas propiedades de absorción de terahercios de los nanotubos metálicos y las propiedades electrónicas únicas de los nanotubos de carbono semiconductores. Esto permite a los investigadores lograr un fotodetector que no requiere energía para funcionar, con un rendimiento comparable a la tecnología existente.
Un camino claro hacia la mejora del rendimiento
El siguiente paso para los investigadores, Léonard dijo:es mejorar el diseño, Ingeniería y rendimiento del detector de terahercios.
Por ejemplo, necesitan integrar una fuente de radiación de terahercios independiente con el detector para aplicaciones que requieren una fuente, Dijo Léonard. El equipo también necesita incorporar componentes electrónicos en el sistema y mejorar aún más las propiedades del material de nanotubos de carbono.
"Tenemos algunas ideas muy claras sobre cómo podemos lograr estos objetivos técnicos, "dijo Léonard, agregando que las nuevas colaboraciones con la industria o agencias gubernamentales son bienvenidas.
"Nuestros logros técnicos abren un nuevo camino para la tecnología de terahercios, y estoy particularmente orgulloso de la naturaleza multidisciplinaria y colaborativa de este trabajo en tres instituciones, " él dijo.
Además de Sandia, Rice y Tokyo Tech, el proyecto recibió contribuciones de investigadores que participan en NanoJapan, un programa de verano de 12 semanas que permite a los estudiantes de primer y segundo año de física e ingeniería de universidades estadounidenses completar pasantías de investigación en nanociencia en Japón enfocadas en nanociencia de terahercios.
