Un sensore CCD capace di rilevare le onde THz

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.