De industrie voor infraroodcamera’s staat voor een moeilijke uitdaging: strengere milieuregels verbieden steeds vaker de zware metalen waarop veel detectors zijn gebaseerd, terwijl de vraag naar infraroodcamera’s en sensors juist snel groeit. Onderzoekers van de NYU Tandon School of Engineering beschrijven nu in ACS Applied Materials & Interfaces een alternatief dat geen kwik of lood nodig heeft. De eerste prototypes zien er veelbelovend uit: ze reageren zeer snel en kunnen zeer zwakke signalen opvangen.
Voor de nieuwe infraroodcamera maakt het team gebruik van kwantumstippen: speciale kristallen van maar enkele nanometers in omvang met bijzondere eigenschappen. Deze kristallen kunnen verwerkt worden tot een soort ‘inkt’, waardoor deze dienst kan doen als detectormateriaal. Behalve dat deze inkt een milieuvriendelijker alternatief is kan hij ook het productieproces versnellen. In plaats van het huidige proces, waarbij atomen een voor een op een wafer worden geplaatst, worden de kwantumstippen volledig opgelost tot inkt waarna die als een dunne laag aangebracht kan worden op een oppervlak.
Het aanbrengen van de ‘inkt’ kan gebeuren met schaalbare coatingtechnieken, vergelijkbaar met wat je in de grafische industrie ziet. Dat opent de deur naar goedkope, grootschalige productie. “De industrie staat voor een groot probleem: milieuregels worden strenger juist nu de vraag naar infraroodcamera’s explodeert,” zegt Ayaskanta Sahu, hoofdonderzoeker en universitair hoofddocent Chemical and Biomolecular Engineering aan de NYU Tandon. “Dat veroorzaakt echt knelpunten voor bedrijven die hun systemen willen opschalen.”
Geleiding
Een praktisch probleem bij inktachtige materialen is de elektrische geleiding: het geproduceerde signaal wordt niet altijd snel en efficiënt door de laag afgevoerd. De onderzoekers lossen dat op met een zogeheten solution-phase ligand exchange. Daarbij wordt de achterliggende chemie van de kwantumstippen zo aangepast dat deze uiteindelijk een gladde, scheurvrije laag vormt die de elektrische ladingen beter transporteert. In tegenstelling tot traditionele procedures die vaak meerdere, delicate stappen vergen en onregelmatige lagen opleveren, ontstaat hier in één stap een gladde coating die klaar is voor elektronica. Met metingen laten de onderzoekers zien dat de detectoren razendsnel reageren en extreem zwakke infraroodsignalen kunnen registreren.
De prestaties zijn indrukwekkend voor een materiaal dat lang als ‘lastig’ gold. “Wat ik spannend vind is dat we een materiaal dat lang als ‘te moeilijk voor echte apparaten’ werd gezien nu zo kunnen aanpassen dat het uiteindelijk een concurrerende optie wordt,” zegt teamlid en promovendus Shlok J. Paul. “Met meer onderzoek heeft dit materiaal de potentie om dieper in het infrarood te schitteren, waar maar weinig geschikte materialen beschikbaar zijn.” Daarmee wijzen de onderzoekers op mogelijke uitbreiding naar langere golflengten, die bijvoorbeeld relevant zijn voor thermische beeldvorming en nachtzicht.
Strenge regelgeving
De resultaten van het onderzoek kunnen breed ingezet worden. Striktere regelgeving rond giftige stoffen remt nu al de toepassing van infraroodcamera’s en sensoren op veel verschillende vlakken: van autonoom rijden en robotica tot medische beeldvorming en inspectie. Een detector die voldoet aan de gestelde milieunormen en kostenefficiënt te produceren is kan die drempel verlagen. Sahu schetst het concreet: “Elke infraroodcamera in een Tesla of smartphone heeft detectors nodig die aan milieustandaarden voldoen en toch betaalbaar geproduceerd kunnen worden. Onze aanpak kan helpen om deze technologieën veel toegankelijker te maken”.
Echter is het onderzoek er ook duidelijk over: de nieuwe technologie werkt nog niet beter dan de beste kwik- of loodgebaseerde infraroodcamera’s. Het team verwacht dat verder onderzoek deze prestatiekloof kan verkleinen.
