Nano-antenne ad infrarossi per rivoluzionare la spettrometria



Ertugrul Cubukcu dispositivo ad infrarossi per spettrometria

Il Prof. Ertugrul Cubukcu del PENN

L’università della Pennsylvania (PENN), grazie al team guidato da Ertugrul Cubukcu del dipartimento di Scienze dei Materiali, ha sviluppato in via sperimentale una struttura di nano-antenne in grado di trasformare le variazioni della luce infrarossa in azione meccanica microscopica, allo scopo di sviluppare sensori ultrasensibili nell’ambito della spettroscopia e spettrometria.

Da infrarosso a energia meccanica:

I rilevatori ad infrarossi sul mercato utilizzano tipicamente semiconduttori raffreddati criogenicamente, o rilevatori termici conosciuti come microbolometri, in cui le variazioni di resistenza elettrica possono essere correlate alla temperatura. Questa tecnologia ha numerosi vantaggi, ma necessita di apparecchiature costose e ingombranti per essere sensibili a sufficienza per le applicazioni spettroscopiche.

“Abbiamo deciso di creare un rilevatore termico ottico-meccanico ad infrarossi” – ha affermato il professore assistente Ertugrul Cubukcu – “Piuttosto che le variazioni di resistenza, i nostri rilevatori funzionano connettendo il movimento meccanico al cambio di temperatura”. Il vantaggio di questo approccio è che potrebbe ridurre la dimensione di un dispositivo sensibile agli infrarossi a qualcosa che si adatti facilmente a un chip di silicio.

Come funziona lo strumento:

Nanoantenne nano antenne per rilevazione di infrarosso

Schema di funzionamento delle “nano antenne”

Il cuore del dispositivo, funzionante come prototipo, è una struttura nanometrica larga circa un decimo di millimetro e lunga un quinto di millimetro, fatta di uno strato d’oro sovrapposto ad uno strato di nitruro di silicio.

I ricercatori hanno scelto questi materiali in virtù dei loro diversi coefficienti di dilatazione termica, un parametro che determina quanto un materiale si espande una volta riscaldato. I metalli convertiranno naturalmente questa energia dall’infrarosso in calore, e in questo modo potrà essere correlato l’ammontare del materiale espanso con l’ammontare della luce infrarossa che li ha colpiti.

“Un singolo strato si espanderebbe lateralmente, ma i nostri due strati sono vincolati in quanto sono attaccati l’uno all’altro ” –afferma Cubucku – “L’unico modo in cui essi possono espandersi è nella terza dimensione. In questo caso, significa il piegamento dello strato d’oro, poiché l’oro ha un coefficiente di dilatazione termica superiore al nitruro di silicio, e quindi si espanderà di più.”

Per misurare questo movimento,il team ha utilizzato un interferometro in fibra per misurare quanto la struttura si piega a causa del riscaldamento.

“Siamo in grado di dire in che misura lo strato inferiore si muove sulla base della luce riflessa” – dice Cubucku – “Possiamo vedere anche spostamenti migliaia di volte più piccoli di un atomo di idrogeno in questo modo.”

Altri team di ricercatori hanno sviluppato sensori infrarossi ottico-meccanici basati sullo stesso principio, ma le sensibilità risultanti sono state comparativamente basse. Il dispositivo del team della PENN è stato un miglioramento in questo senso grazie all’inclusione degli slot delle nanoantenne, ovvero cavità incise nello strato d’oro a intervalli corrispondenti alle lunghezza d’onda dell’infrarosso. L’inclusione delle nanoantenne fornisce al dispositivo un ulteriore vantaggio: la capacità di adattare il tipo di luce sensibile incidendo una diversa disposizione di fessure nella superficie dell’oro.

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