Los ingenieros de Vanderbilt y Penn State han desarrollado un enfoque novedoso para diseñar y fabricar fuentes de luz infrarroja de película delgada con una salida espectral casi arbitraria impulsada por calor, junto con una metodología de aprendizaje automático llamada diseño inverso que redujo el tiempo de optimización para estos dispositivos desemanas o meses en una computadora de varios núcleos a unos pocos minutos en una computadora de escritorio de nivel de consumidor.
La capacidad de desarrollar fuentes de luz infrarroja de diseño, económicas y eficientes podría revolucionar las tecnologías de detección molecular. Las aplicaciones adicionales incluyen comunicaciones en el espacio libre, balizas infrarrojas para búsqueda y rescate, sensores moleculares para monitorear gases industriales, contaminantes ambientales y toxinas.
El enfoque del equipo de investigación, detallado hoy en Materiales naturales , utiliza deposición simple de película delgada, una de las técnicas de nanofabricación más maduras, con la ayuda de avances clave en materiales y aprendizaje automático.
Los emisores térmicos estándar, como las bombillas incandescentes, generan radiación térmica de banda ancha que restringe su uso a aplicaciones simples. Por el contrario, los láseres y los diodos emisores de luz ofrecen la emisión de frecuencia estrecha deseada para muchas aplicaciones, pero por lo general son demasiado ineficientes y / o costosos.Eso ha dirigido la investigación hacia emisores térmicos selectivos de longitud de onda para proporcionar el ancho de banda estrecho de un láser o LED, pero con el diseño simple de un emisor térmico. Sin embargo, hasta la fecha, la mayoría de los emisores térmicos con espectros de salida definidos por el usuario han requerido nanoestructuras modeladas fabricadas conmétodos de alto costo y bajo rendimiento.
El equipo de investigación dirigido por Joshua Caldwell, profesor asociado de ingeniería mecánica de Vanderbilt, y Jon-Paul Maria, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Penn State, se propuso conquistar desafíos de larga data y crear un proceso más eficiente. Su enfoqueaprovecha la amplia capacidad de sintonización espectral del óxido de cadmio semiconductor junto con un cristal fotónico unidimensional fabricado con capas alternas de dieléctricos denominado reflector Bragg distribuido.
La combinación de estas múltiples capas de materiales da lugar a un llamado "Tamm-polariton", donde la longitud de onda de emisión del dispositivo está dictada por las interacciones entre estas capas. Hasta ahora, tales diseños se limitaban a un solo diseñosalida de longitud de onda. Pero crear múltiples resonancias a múltiples frecuencias con longitud de onda, ancho de línea e intensidad controlados por el usuario es imperativo para igualar los espectros de absorción de la mayoría de las moléculas.
El diseño de materiales ha sido desafiante y computacionalmente intenso. Debido a que las aplicaciones avanzadas requieren funcionalidad en múltiples resonancias, el nuevo proceso tuvo que acortar drásticamente el tiempo de diseño. Un dispositivo típico, por ejemplo, contendría decenas a cientos de parámetros designables, creando altas demandas de personalizaciónrequiriendo tiempos de cálculo poco realistas. Por ejemplo, en un escenario que optimiza independientemente nueve parámetros, muestreando 10 puntos por parámetro, las simulaciones tomarían 15 días asumiendo 100 simulaciones por segundo. Sin embargo, con más parámetros, el tiempo aumenta exponencialmente - 11 y 12los parámetros requerirían tres y 31 años, respectivamente.
Para abordar este desafío, el estudiante de doctorado Mingze He, autor principal del artículo, propuso un algoritmo de diseño inverso que calcula una estructura optimizada en minutos en un escritorio de nivel de consumidor. Además, este código podría brindar la capacidad de igualar la emisión deseadalongitud de onda, ancho de línea y amplitud de múltiples resonancias simultáneamente sobre un ancho de banda espectral arbitrario.
Otro obstáculo fue identificar un material semiconductor que pudiera permitir un gran rango dinámico de densidades de electrones. Para ello, el equipo utilizó material semiconductor dopado, desarrollado por el equipo de investigación de Maria en Penn State, que permite el diseño intencional de propiedades ópticas.
"Esto permite la fabricación de fuentes de luz infrarroja media avanzadas a escala de oblea con un costo muy bajo y pasos de fabricación mínimos", dijo.
Esta sección experimental se llevó a cabo con colaboradores de Penn State, mientras que He y J. Ryan Nolen, un recién graduado del grupo Caldwell, caracterizaron los dispositivos. Juntos, los dos equipos demostraron con éxito la capacidad de las fuentes de luz infrarroja de diseño inverso.
"La combinación de la sintonización del material de óxido de cadmio con la rápida optimización de los reflectores Bragg distribuidos aperiódicos ofrece el potencial de diseñar fuentes de luz infrarroja con espectros de salida definidos por el usuario.una variedad de otras aplicaciones que abarcan la detección ambiental y remota, la espectroscopia y la señalización y comunicaciones por infrarrojos ", dijo Caldwell.
Significativamente, el grupo Caldwell ha abierto el algoritmo de diseño, que se puede descargar en Materiales naturales así como el sitio web del laboratorio de materiales y dispositivos nanofotónicos infrarrojos de Caldwell.
Su artículo, "Diseño inverso determinista de emisores térmicos de plasmón Tamm con control multirresonante", se publicó el 21 de octubre. Las fuentes de financiación incluyeron la Oficina de Investigación Naval, la Oficina de Investigación del Ejército, la Beca de Posgrado en Ingeniería y Ciencias de la Defensa Nacional, y laFundación Nacional de Ciencia.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Vanderbilt . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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