Duke Üniversitesi’nden Işık Algılamada Devrim: Dünyanın En Hızlı Piroelektrik Fotodedektörü Geliştirildi
Duke Üniversitesi elektrik mühendisliği araştırmacıları, ışığı algılamak için emildiğinde açığa çıkan çok küçük ısı miktarını tespit eden dünyanın en hızlı piroelektrik fotodedektörünü geliştirdi. Bu ultra ince sensör, elektromanyetik spektrumun tamamındaki ışığı yakalayabiliyor. Oda sıcaklığında çalışan ve harici güç kaynağı gerektirmeyen cihaz, doğrudan çip sistemlerine entegre edilebiliyor. Geliştirilen teknoloji, cilt kanseri tespiti, gıda güvenliği izlemesi ve büyük ölçekli tarım gibi çok çeşitli alanlarda kullanılabilecek yeni nesil çok spektrumlu kameraların yolu açabilir. Bu önemli bulgular Advanced Functional Materials dergisinde yayımlandı.
Geleneksel fotodedektörler, görünür ışığa çarpan yarı iletken malzemelerde elektrik akımı üreterek çalışır ve bu akım bilgisayarlar tarafından görüntüye dönüştürülür. Ancak yarı iletkenler elektromanyetik spektrumun yalnızca küçük bir kısmını algılayabilmektedir. Bu, insan gözünün sadece görünür ışık dalga boylarını görebilmesiyle paralellik gösterir. Görünür ışık dışındaki dalga boylarını algılamak için araştırmacılar genellikle piroelektrik dedektörlere yönelir. Piroelektrik dedektörler, ışığı emdikten sonra ısındıklarında elektriksel bir sinyal üretir. Ancak zorlu dalga boylarından yeterli ısı üretmek için genellikle kalın emici malzemeler veya çok güçlü ışık kaynağı gerekir. Bu da dedektörlerin hem büyük hem de yavaş olmasına sebep olur.
Duke Üniversitesi Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği profesörü Maiken Mikkelsen, “Ticari piroelektrik dedektörler çok duyarlı olmadığından yüksek ışık şiddetine veya kalın emicilere ihtiyaç duyarlar. Bu yüzden doğaları gereği yavaştırlar çünkü ısı hızlı hareket etmez” dedi. Mikkelsen ve ekibi, neredeyse kusursuz emiciler ile ultra ince piroelektrik malzemeleri entegre ederek yanıt süresini 125 pikosaniye seviyesine çekmeyi başardı. Bu, alan için devasa bir ilerleme anlamına geliyor.
Yeni dedektör, özel olarak tasarlanmış bir “metasurface” (met yüzey) adı verilen yapıya dayanıyor. Bu yapı, ince bir altın tabakasının sadece 10 nanometre üzerinde konumlandırılmış, özenle dizilmiş gümüş nanoküplerden oluşuyor. Işık nanoküplere çarptığında, gümüş içindeki elektronlar uyarılarak “plazmonik” adı verilen bir süreçle ışık enerjisinin yakalanmasını sağlıyor. Nanoküplerin boyutu ve aralarındaki mesafe, hangi frekansta ışığın tutulacağını belirliyor. Işığın yüksek verimde yakalanması sayesinde, sadece çok ince bir piroelektrik tabaka altında elektriksel sinyal üretmek mümkün hale geliyor. Mikkelsen’in ekibi bu konsepti 2019’da ilk kez göstermiş ancak o dönem cihazın hızını ölçmek için tasarlanmamıştı.
“Termal fotodedektörlerin yavaş olması beklenirken cihazımızın saniyenin trilyonda biri ölçeğinde tepki vermesi tüm topluluğu şaşırttı” diyen Mikkelsen, cihaz hızının silikon fotodedektörlerle benzer seviyelerde olduğunu ifade etti. Son birkaç yıldır Mikkelsen laboratuvarında doktora öğrencisi Eunso Shin, cihazın tasarımını hız ve performans açısından optimize etti. Ayrıca pahalı cihazlara ihtiyaç duymadan dedektörün hızını ölçmek için yeni bir deneysel metot geliştirdi. En yeni modelde, ışık emen metasurface yapısı dikdörtgen yerine dairesel şeklinde tasarlandı. Bu değişiklik, gelen ışığa maruz kalan yüzey alanını artırırken sinyalin gitmesi gereken mesafeyi azalttı. Ekip aynı zamanda çok daha ince piroelektrik tabakalar kullandı ve sinyalleri yakalayıp ileten elektronik devreyi iyileştirdi.
Dedektörün hızını ölçmek için Shin, çalışma frekansına yaklaşan iki dağıtılmış geri beslemeli lazer kullandığı bir deney düzeneği kurdu. Ölçümler cihazın 2,8 GHz hızında çalışabileceğini gösterdi ki bu, ışığın elektrik sinyaline dönüşmesinin sadece 125 pikosaniye sürmesi anlamına geliyor. Shin, “Piroelektrik dedektörler genellikle nano- ila mikrosaniye aralığında çalışır, bizim cihazımız ise yüzlerce hatta binlerce kat daha hızlı. Sonuçlar heyecan verici ancak hız sınırını daha da zorlamak için çalışmalarımız sürüyor” dedi.
Araştırmacılar, nanoküpler ile altın tabaka arasındaki dar boşluğa piroelektrik malzeme ve elektronik okuma bileşenleri yerleştirerek cihaz hızının daha da artırılabileceğini düşünüyor. Ayrıca aynı anda birden fazla dalga boyunu ve ışığın polaritesini algılayabilen çoklu metasurface tasarımları üzerinde de çalışıyorlar. Bu sistemler tamamen harici güç kaynağına ihtiyaç duymadığından, drone, uydu veya uzay araçlarında kullanılabilir. Böylece hassas tarımda gerçek zamanlı olarak hangi bitkinin ne kadar su veya gübreye ihtiyacı olduğu belirlenebilir.
Mikkelsen, “Birden çok frekansı aynı anda algılama yeteneği sizi çok farklı alanlara götürüyor. Kanser tanısı, gıda güvenliği ve uzaktan algılama araçları gibi… Bunlar henüz başlangıç aşamasında ama hedefimiz kesinlikle buraya ulaşmak” diye konuştu. Bu araştırma, ABD Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Ofisi ve Gordon ve Betty Moore Vakfı tarafından desteklendi.
Kaynak: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/03/260304184218.htm
