Un sensore CCD capace di rilevare le onde THz

Un sensore CCD capace di rilevare le onde THz

Da Zurigo arriva un sensore, per ora sperimentale, capace di rilevare la radiazione elettromagnetica nello spettro dei THz che permette di abilitare nuove applicazioni nel campo dell'imaging

di Andrea Bai pubblicata il , alle 15:31 nel canale Scienza e tecnologia
 

Le onde terahertz, una banda di frequenza che si colloca tra l'infrarosso profondo e le frequenze radio ultracorte nello spettro elettromagnetico, non sono solo difficili da creare ma sono anche difficili da poter rilevare in forma visibile. Riuscire a realizzare un buon imager di onde terahertz è compito molto arduo: nel corso del 2012 una collaborazione tra IEMN, STMicroelectronics e University of Wuppertal aveva permesso di realizzare una fotocamera sperimentale terahertz con un sensore CMOS da 1000 pixel, con una risoluzione non sufficiente per impieghi commerciali o di ricerca.

Le applicazioni per questo genere di tecnologia sono ancora solo abbozzate. Un grande numero di molecole emette e assorbe radiazione THz. E le onde terahertz occupano un posto interessante nello spettro elettromagnetico che le rende adatte ad applicazioni di body scanning: esse hanno infatti una frequenza inferiore a quelle dei raggi-X e non hanno sufficiente energia per ionizzare i tessuti umani. Le onde THz hanno però anche una frequenza superiore delle microonde o delle millimeter wave, potendo così consentire la realizzazione di immagini a risoluzione più elevata.

I sensori terahertz possono quindi portare alla realizzazione di nuovi scanner per la sicurezza o per il campo medicale, così come a spettrometri con nuove funzionalità e a dispositivi per applicazioni di nicchia, come ad esempio i controlli di qualità nell'industria alimentare o il monitoraggio di processi di essiccazione.

Il gruppo SwissFEL Laser coordinato da Christoph Hauri presso il Paul Scherrer Institute di Zurigo ha recentemente dato dimostrazione della possibilità di impiegare un dispositivo CCD per catturare immagini prodotte dalle onde terahertz. Sulla rivista Nature Communications il team descrive come, impiegando un CCD di silicio di 1360x1024 pixel, sia stato possibile ottenere immagini da raggi THz con una risoluzione 25 volte superiore rispetto a quanto attualmente possibile con i bolometri, ad un costo estremamente inferiore.

Gli imager basati su microbolometri sono costituiti da array bidimensionali di pixel metallo/isolante. I pixel si scaldano quando irradiati dalle onde terahertz, cambiando la loro resistenza. Questi array sono però non solo più lenti dei CCD, ma hanno anche una risoluzione inferiore in quanto i pixel sono molto più grandi: 24 micrometri contro 4,65 nanometri.

I comuni CCD funzionano grazie all'effetto fotoelettrico interno, che causa la liberazione di elettroni quando i singoli fotoni della radiazione luminosa colpiscono il sensore. Questi elettroni hanno energia sufficiente per attraversare la banda proibita del silicio e finiscono conservati in una buca di potenziale, dalla quale possono essere letti. I fotoni della radiazione THz hanno però un'energia inferiore e gli elettroni da essi generati non sono in grado di attraversare la banda proibita.

Mostafa Shalaby, autore della pubblicazione su Nature, spiega che CCD usato opera in un modo differente rispetto a come si comporta con le frequenze nello spettro del visibile. Già in precedenza era noto che la radiazione a bassa frequenza, se sufficientemente intensa, può portare a cambiamenti significativi nella struttura delle bande del semiconduttore. Le onde THz, a più elevata lunghezza d'onda rispetto alla radiazione visibile, obbligano quindi gli elettroni a passare attraverso la bandgap per effetto tunnel e i portatori di carica iniziano a moltiplicarsi, portando ad una elevata sensibilità.

Sebbene i materiali con banda proibita adatta all'energia dei "fotoni terahertz" non esista, è comunque chiaro che qualsiasi riduzione della banda proibita porterebbe ad un incremento di sensibilità. L'eventuale impiego di uno strato fotoattivo, con bandgap più piccola, migliorerebbe la sensibilità del dispositivo di imaging, ma è piuttosto improbabile che le grandi compagnie dedicate alla produzione in volumi si occupino di fabbricare qualcosa con specifiche personalizzate.

I ricercatori sono riusciti ad ottenere le immagini esponendo il CCD direttamente al raggio terahertz. Il miglioramento della sensibilità del CCD, oggetto dei prossimi piani di ricerca, permetterà di usare sorgenti meno potenti. Tra le strade che verranno esplorate vi è l'impiego di sensori CMOS e l'uso di metalli strutturati o metamateriali nella parte superiore del substrato. I primi risultati hanno spinto i ricercatori a chiedere un brevetto e hanno già attratto l'interesse di alcune aziende di settore, tra cui alcuni produttori di CCD.

7 Commenti
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Rubberick28 Ottobre 2015, 16:24 #1
Originariamente inviato da: La Redazione
esse hanno infatti una frequenza inferiore a quelle dei raggi-X e non hanno sufficiente energia per ionizzare i tessuti umani


questa frase me la potete spiegare un attimo meglio? mi sa che c'e' qualcosa di un pò abbozzato
+Benito+28 Ottobre 2015, 16:46 #2
THz onde lunghe???
Personaggio28 Ottobre 2015, 18:05 #3
Originariamente inviato da: Rubberick
questa frase me la potete spiegare un attimo meglio? mi sa che c'e' qualcosa di un pò abbozzato


La sicurezza fatto attraverso metal detector non è affatto la migliore perché rileva solo metalli, quella migliore sarebbe usare i raggi-X al passaggio di una porta (praticamente di fanno una TAC) e in una seconda porta ti viene fatta la risonanza magnetica, con questi due strumenti potresti trovare persino un coltello serramanico in ceramica posto dentro l'orifizio anale, per dire. Ma sono entrambi costose ed in ogni caso impraticabili, le prime perché usano frequenze ionizzanti, cioè modificano la struttura molecolare, le seconde emettono suoni ad oltre 120db, impossibile in un aeroporto, o all'ingresso di un museo.
Le onde Thz, emesse da una porta, permettono di avere un risultato pratico molto simile alla somma delle due tecnologie di cui sopra, senza recare nessun danno o disturbo alcuno, sono quell dell'infrarosso, anche se sono visibili come infrarosso solo oltre i 100Thz, quelle oggetto di studio, immagino siano tra i 500Ghz e i 10Thz. In ogni caso tra i Thz e le ionizzanti ce ne vuole parecchio, esse si trovano dalla seconda metà dello spettro ultra violetto, da circa 15PHz circa 15'000 volte più frequenti, e in mezzo c'è la luce visibile.

Originariamente inviato da: +Benito+
THz onde lunghe???


1mm = 300Ghz, 1 Micron = 300Thz, 1nm=300Phz
+Benito+28 Ottobre 2015, 22:06 #4
le onde lunghe che io sappia non sono mica infrarossi
zoomx29 Ottobre 2015, 17:21 #5
La "lunghezza" dell'onda dipende dal contesto. Se parliamo di onde radio, che veicolano comunicazione, non stiamo parlando certo di onde lunghe.
Ma qui il confronto viene fatto con la luce visibile. In questo caso le onde che si vogliono misurare sono lunghe, molto lunghe.
Da quello che ho capito sembrerebbe che si stia parlando di sensori nell'infrarosso termico che sfruttano la luce emessa nell'infrarosso da tutti gli oggetti dove attualmente si usano array di microbolometri. Attualmente tali sensori per uso civile non hanno grandi risoluzioni, credo che siamo ancora sotto il il megapixel. Probabilmente l'intenzione è di cambiare tecnologia dei sensori.
L'uso come body scanner mi sembra improbabile.
Sir Didymus30 Ottobre 2015, 14:04 #6

Per l'automotive andrebbe benissimo...

Le particelle di nebbia in sospensione hanno un diametro che va da 1,5 a qualche decina di micron al massimo. A lunghezze d'onda appena maggiori la nebbia diventa sempre più "trasparente". Oltre a permettere di "vedere" nella nebbia, un sensore di questo tipo avrebbe il grosso vantaggio rispetto ai radar a microonde di restituire "immagini" molto più naturali per l'interpretazione della scena da parte del guidatore. La maggiore risoluzione e la realizzazione con tecnologia allo stato solido non sono mica cose da poco per buttare finalmente nel cesxx i microbolometri...
Personaggio04 Novembre 2015, 02:46 #7
Originariamente inviato da: zoomx
La "lunghezza" dell'onda dipende dal contesto. Se parliamo di onde radio, che veicolano comunicazione, non stiamo parlando certo di onde lunghe.

La lunghezza d'onda (l) è sempre uguale alla velocità di propagazione diviso la frequenza (f). Nel caso che la propagazione sia nell'aria si può considerare la velocità della luce come velocità di propagazione, quindi nell'aria l=C/f, e visto che C= a circa 300000Km/s si può costruire facilmente una tabellina:
[LIST]
[*]300Hz -> 1Mm
[*]300Khz -> 1km
[*]300Mhz -> 1m
[*]300Ghz - > 1mm
[*]300Thz -> 1 micron
[*]300Phz -> 1nm
[*]300Ehz -> 1pm
[/LIST]
L'uso come body scanner mi sembra improbabile.


L'idea non è mia, ma della Merkel. Un paio d'anni fa disse che appena disponibili i metal detector andrebbero sostituiti con body scanner a Thz in tutti gli aeroporti europei, se ne parlò molto in TV, li chiamavano Body T Scanner, fecero anche dei prototipi che misero come prova a Francoforte e Fiumicino, ma la risoluzione era troppo piccola e furono accantonati

Update: girando su internet credo di essermi confuso con i millimiter body scanner che usano microonde, però mi ricordo questa cosa dei Thz, bho!

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