Los investigadores del Laboratorio de Nanofotónica de la Universidad de Rice han demostrado un método para diseñar sensores de imágenes mediante la integración de amplificadores de luz y filtros de color directamente en píxeles. Crédito:B. Zheng / Rice University
(Phys.org) —Los investigadores de la Universidad de Rice han creado un CMOS compatible, fotodetector de color biomimético que responde directamente al rojo, luz verde y azul de la misma manera que lo hace el ojo humano.
El nuevo dispositivo fue creado por investigadores del Laboratorio de Nanofotónica de Rice (LANP) y se describe en línea en un nuevo estudio en la revista. Materiales avanzados . Utiliza una rejilla de aluminio que se puede agregar a los fotodetectores de silicio con la tecnología principal de la industria del microchip de silicio. "semiconductor complementario de óxido de metal, "o CMOS.
Los fotodetectores convencionales convierten la luz en señales eléctricas pero no tienen una sensibilidad al color inherente. Para capturar imágenes en color, Los fabricantes de fotodetectores deben agregar filtros de color que puedan separar una escena en rojo, componentes de color verde y azul. Este filtrado de color se realiza comúnmente utilizando filtros de color de tinte o dieléctricos fuera del chip, que se degradan con la exposición a la luz solar y también pueden ser difíciles de alinear con los sensores de imágenes.
"Los mecanismos de filtrado de color actuales a menudo involucran materiales que no son compatibles con CMOS, pero este nuevo enfoque tiene ventajas más allá de la integración en chip, "dijo la directora de LANP, Naomi Halas, el científico principal del estudio. “También es más compacto y simple y se asemeja más a la forma en que los organismos vivos 'ven' los colores.
La biomimetismo no fue un accidente. El fotodetector de color resultó de un programa de investigación de $ 6 millones financiado por la Oficina de Investigación Naval que tenía como objetivo imitar la piel de un cefalópodo utilizando "metamateriales, "compuestos que difuminan la línea entre el material y la máquina.
Los cefalópodos como el pulpo y el calamar son maestros del camuflaje, pero también son daltónicos. Halas dijo que el equipo de investigación de "piel de calamar", que incluye a los biólogos marinos Roger Hanlon del Laboratorio de Biología Marina en Woods Hole, Masa., y Thomas Cronin de la Universidad de Maryland, Condado de Baltimore, sospecha que los cefalópodos pueden detectar el color directamente a través de su piel.
El nuevo fotodetector de color biomimético de Rice University utiliza rejillas de aluminio como la de esta imagen de un microscopio electrónico de barrido. Las ranuras que filtran la luz en la rejilla tienen aproximadamente 100 nanómetros de ancho. Crédito:B. Zheng / Rice University
Basado en esa hipótesis, Bob Zheng, estudiante de posgrado de LANP, el autor principal del nuevo estudio Advanced Materials, se propuso diseñar un sistema fotónico que pudiera detectar luz coloreada.
"Bob ha creado un detector biomimético que emula lo que suponemos que ve la piel del calamar, ", Dijo Halas." Este es un gran ejemplo de la serendipia que puede ocurrir en el laboratorio. Al buscar una respuesta a una pregunta de investigación específica, Bob ha creado un dispositivo que es mucho más práctico y de aplicación general ".
El fotodetector de color de Zheng utiliza una combinación de ingeniería de bandas y rejillas plasmónicas, estructuras de aluminio en forma de peine con filas de ranuras paralelas. Usando evaporación por haz de electrones, que es una técnica común en el procesamiento CMOS, Zheng depositó una fina capa de aluminio sobre un fotodetector de silicio cubierto con una capa ultrafina de óxido.
La selección de color se realiza utilizando efectos de interferencia entre la rejilla plasmónica y la superficie del fotodetector. Ajustando cuidadosamente el espesor del óxido y el ancho y espaciado de las ranuras, Zheng pudo dirigir preferentemente diferentes colores al fotodetector de silicio o reflejarlo de nuevo en el espacio libre.
Las nanoestructuras metálicas utilizan plasmones de superficie, ondas de electrones que fluyen como un fluido a través de superficies metálicas. La luz de una longitud de onda específica puede excitar un plasmón, y los investigadores de LANP a menudo crean dispositivos donde interactúan los plasmones, a veces con efectos dramáticos.
"Con rejillas plasmónicas, no solo obtienes sintonización de color, también puede mejorar los campos cercanos, ", Dijo Zheng." La interacción de campo cercano aumenta la sección transversal de absorción, lo que significa que la rejilla actúa como su propia lente. Obtienes esta canalización de luz en un área concentrada.
"No solo utilizamos el fotodetector como amplificador, también estamos usando el filtro de color plasmónico como una forma de aumentar la cantidad de luz que ingresa al detector, " él dijo.
