Przez dekady kamery na podczerwień balansowały na niewygodnym pograniczu. Z jednej strony stała wydajność, oparta na materiałach, które zamieniają niewidzialne światło w wyraźny obraz, a z drugiej kwestie regulacyjne, bo wiele z tych tradycyjnych półprzewodników opiera się na metali ciężkich, które są coraz trudniejsze do uzasadnienia w masowej produkcji. Rozwiązanie problemu jest więc proste na papierze – trzeba wskazać zupełnie nowe materiały noktowizyjne.
Ekologiczna noktowizja staje się rzeczywistością. Jednak czy “kwantowe tusze” opuszczą laboratoria?
Zamiast tworzyć idealne kryształy i akceptować prawne obciążenia, zespół naukowców z NYU Tadon opracował płynne “tusze kwantowe”, które są oparte na kropkach kwantowych z selenku srebra. Te nanocząsteczki można nadrukowywać w cienkie, jednorodne warstwy reagujące na bliską i krótkofalową podczerwień. W teorii oznacza to noktowizję stworzoną z bardziej ekologicznej chemii i w procesie podobnym raczej do druku opakowań niż czystopokojowej litografii. Pytanie nie brzmi więc już w stylu “czy te materiały wykrywają IR”, ale czy da się z nich zbudować duże matryce, które na dodatek dorównają obecnym rozwiązaniom stosowanym w kamerach w zakresie czułości, szybkości, jednorodności, poziomie szumu i cenie.
Czytaj też: Budownictwo przyszłości już istnieje i ma sześć nóg. Robot Charlotte buduje domy w 24 godziny
Tradycyjne detektory IR często wykorzystują związki zawierające rtęć, ołów lub kadm. To pierwiastki ściśle kontrolowane przez unijne rozporządzenie RoHS, gdzie wyjątki są systematycznie ograniczane lub wygaszane. Dla firm oznacza to problem, bo zwykle chcą one jednego rozwiązania do realizowania globalnej sprzedaży, a tak się składa, że nowe tusze kwantowe wolne od metali ciężkich omijają ten kłopot już na poziomie projektu. W najnowszej pracy urządzenia na bazie kropek Ag₂Se osiągnęły czas reakcji poniżej 50 µs, pasmo ok. 18 kHz i wykrywalność rzędu 6,5×1010 Jones przy 1200 nm nawet w trybie samowystarczalnej fotodiody. To jeszcze nie detronizacja noktowizji, jaką znamy, ale wiarygodny krok w stronę materiału z domyślną zgodnością regulacyjną.
Klucz do taniej noktowizji to nie tylko kropki, ale i powłoka
Kropki kwantowe powstają w roztworze i są “pakowane” w organiczne ligandy, które stabilizują je w cieczy, ale utrudniają przewodnictwo. Specjaliści wymienili te ligandy jeszcze w fazie płynnej, poprawiając sprzężenie między cząstkami przed osadzeniem na podłożu. To chemiczny odpowiednik zamiany mokrego sznurka na światłowód. Efekt? Ciągła, pozbawiona pęknięć warstwa, którą można nanosić skalowalnymi technikami druku, a to samo w sobie jest istotne, bo matryce obrazowe IR to miliony pikseli, więc każdy defekt oznacza paski, martwe punkty i nierówną reakcję.
Czytaj też: Najważniejszy samolot USA przyłapany w locie. Jakie tajemnice skrywa nietypowe wydanie?
Czujniki potrzebują też elektrod, które nie blokują światła. Metale dobrze przewodzą, ale odbijają podczerwień. Tak się jednak składa, że wcześniej w tym roku ten sam zespół naukowców pokazał kompozyt elektrod ze srebrnych nanodrutów, który jest rozwiązaniem tego problemu. Efekt? Po połączeniu tych nanodrutów z nową warstwą z tuszu kwantowego powstaje stos materiałów przyjazny zarówno podczerwieni, jak i fabrykom. Finalnie jeśli tusze kwantowe pozwolą na konkurencyjną wydajność w drukowanych matrycach, to aktualna ekonomia produkcji może się diametralnie zmienić, rozwiązując problem drogich systemów noktowizyjnych.
Czytaj też: Fotografia z orbity wywołała międzynarodowe napięcie. Chiny odsłoniły amerykańską tajemnicę
Jednorodność dużych matryc nie jest jednak aktualnie gwarantowana, sama integracja wymaga ostrożnej chemii procesowej, a samo srebro ma swoją cenę i zmienność podaży. Mimo to kombinacja drukowanych warstw optoelektronicznych i przezroczystych elektrod jest pierwszą od lat realną ścieżką łączącą wydajność, zgodność i produkcję.