Im Rahmen eines Forschungs- und Entwicklungsprojekts erstellten die Experten einen Detektor mit Nanoantennen, der das Signal einer thermischen Infrarotkamera bis zu dreimal verstärken und die Bildqualität verbessern kann, indem er den Dunkelstrom, ein wesentlicher Bestandteil des Bildrauschens, um das 10- bis 100-fache reduziert.
Empfindlichkeit ist wichtig für die nationale Sicherheitsarbeit
«Wärmebildkameras und -sensoren gibt es seit 50 Jahren, aber das traditionelle Design des Detektors, der sich hinter dem Objektiv der Kamera oder dem optischen System eines Sensors befindet, scheint an seine Leistungsgrenzen zu stossen», sagt der Projektleiter David Peters. Er meint, dass eine verbesserte Empfindlichkeit der Infrarotdetektoren, die über das hinausgeht, was das typische Design derzeit liefern kann, von grosser Wichtigkeit sei – sowohl für die nationale Sicherheitsarbeit von Sandia als auch für andere Anwendungen, wie zum Beispiel die Astronomie.
Die Empfindlichkeit und Bildqualität eines Infrarotdetektors hängt in der Regel von einer dicken Schicht Detektormaterial ab, das die einfallende Wärme absorbiert und in ein elektrisches Signal umsetzt, das dann in ein Bild umgewandelt werden kann.
Dicke Detektorschichten haben auch Nachteile
Die Dicke der Detektorschicht bestimmt, wie viel Wärme von der Kamera aufgenommen und gelesen werden kann – aber dicke Schichten haben auch Nachteile. «Das Detektormaterial erzeugt immer spontan Elektronen, die gesammelt werden und dem Bild Rauschen hinzufügen, was die Bildqualität reduziert», so Peters. «Dieses Phänomen, genannt Dunkelstrom, nimmt mit der Dicke des Detektormaterials zu – je dicker das Material ist, desto mehr Rauschen entsteht im Bild.»
Das Forschungsteam entwickelte ein neues Detektordesign, das sich von der Abhängigkeit von dicken Schichten löst und stattdessen eine Subwellenlängen-Nanoantenne, eine gemusterte Anordnung von goldenen Quadrat- oder Kreuzformen, verwendet, um das Licht auf eine dünnere Schicht aus Detektormaterial zu konzentrieren. Dieses neue Design verwendet nur einen Bruchteil eines µm an Detektormaterial, während herkömmliche thermische Infrarotdetektoren eine Dicke von 5 bis 10 µm aufweisen. Ein menschliches Haar ist etwa 75 µm dick.
Erfindung neuer Detektorkonzepte möglich
Mit dem durch Nanoantennen verstärkten Design können Detektoren mehr als 50 % der Infrarotstrahlung eines Objekts erfassen und gleichzeitig die durch den Dunkelstrom verursachte Bildstörung reduzieren, während die aktuelle Technologie nur etwa 25 % der Infrarotstrahlung «sehen» kann. Das neue Design erlaubt auch die Erfindung neuer Detektorkonzepte, die mit der bestehenden Technologie nicht realisierbar sind.
«Zum Beispiel ist es mit Nanoantennen möglich, die Menge der in einem Bild aufgenommenen Informationen drastisch zu erweitern, indem man die spektrale Empfindlichkeit auf Pixelebene exquisit steuert», erklärt Peters. Das Team stellt die NanoantennenDetektoren her, indem es den üblichen Prozess zur Herstellung eines Infrarotdetektors nur leicht verändert. Es beginnt damit, dass das Detektormaterial auf einem dünnen Wafer gezüchtet wird. Dann wird das Material auf eine Elektronikschicht gesetzt, welche die von der Nanoantenne und der Detektorschicht gesammelten Signale aufnimmt. Nach dem Abnehmen des Wafers wird eine winzige Menge Gold aufgetragen, um die strukturierte Nanoantennenschicht auf dem Detektormaterial zu erzeugen.
Technologie zur Marktreife bringen
«Es war keine Selbstverständlichkeit, dass das funktionieren würde, also hat Sandia das Projekt übernommen», führt Peters aus. «Jetzt sind wir an dem Punkt angelangt, wo wir dieses Konzept bewiesen haben und sich diese Technologie zur Marktreife bringen lässt.» Dieses Konzept kann auf verschiedene Detektortypen angewendet werden, so dass es für bestehende Hersteller nunmehr eine Möglichkeit gibt, diese neue Technologie in ihre bestehenden Detektoren zu integrieren. «Dieses Projekt ist ein perfektes Beispiel dafür, wie ein nationales Labor ein Konzept beweisen und es dann in die Industrie auslagern kann, wo es sich weiterentwickeln lässt», betont Peters. Dieses Forschungsvorhaben wurde am National Security Photonics Center von Sandia durchgeführt.
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