Entwicklung von Terahertz- Detektoren mit Kohlenstoff-Nanoröhren bietet Versprechen für verbesserte MRT , andere Bilderkennungsanwendungen

Forscher der Sandia National Laboratories , zusammen mit Mitarbeitern von der Rice University und dem Tokyo Institute of Technology , entwickeln neue Terahertz- Detektoren auf Basis von Kohlenstoff-Nanoröhren , die zu wesentlichen Verbesserungen in der medizinischen Bildgebung , Flughafen Passagierkontrolle , Lebensmittelüberwachung und andere Anwendungen führen könnten.

Ein Papier in Nano Letters Journal " Carbon Nanotube Terahertz -Detektor ", kürzlich in einer Ausgabe der Sektion "Just Accepted Manuskripte " der Publikation debütierte . Die Veröffentlichung beschreibt eine Technik, die Kohlenstoff-Nanoröhren verwendet , um Licht in den Terahertz -Frequenzbereich zu detektieren, ohne Kühlung.

Historisch gesehen, die Terahertz- Frequenzbereich - , die zwischen den konventionelleren Bereiche für Elektronik an einem Ende und Optik auf einem anderen verwendet falls - hat großes Versprechen zusammen mit ärgerlichen Herausforderungen für Forscher präsentiert , die Sandia François Léonard , einer der Autoren .

" Die Photonenenergie im Terahertz-Bereich ist viel kleiner als für sichtbares Licht , und wir haben einfach nicht viel Material , dieses Licht effizient absorbieren und wandeln es in ein elektronisches Signal ", sagte Leonard . " Also müssen wir für andere Ansätze zu suchen. "

Terahertz -Technologie bietet Hoffnung in der Medizin und anderen Anwendungen


Forscher der Sandia National Laboratories , Rice University und dem Tokyo Institute of Technology entwickelte ein Terahertz- Detektor mit mehreren nanoskopischen große Röhren , die Schaffung eines makroskopischen Dünnschicht , die eine Mischung aus metallischen und halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhren enthält .
Bildnachweis: Dino VOURNAS , Sandia National Laboratories

Forscher müssen sich dieses technische Problem , die Vorteile der vielen positiven Anwendungen für Terahertz-Strahlung nehmen zu lösen, sagte Co-Autor Junichiro Kono von der Rice University . Terahertz-Wellen , zum Beispiel , kann leicht durchdringen Gewebe und andere Materialien und könnten weniger einschneidende Möglichkeiten für Sicherheitsprüfungen von Personen und Fracht zur Verfügung . Terahertz -Bildgebung könnte auch in der Lebensmittelkontrolle , ohne nachteilig zu beeinflussen Lebensmittelqualität verwendet werden.

Vielleicht aufregendste Anwendung der Terahertz-Technologie , sagte Kono ist als potenzieller Ersatz für die Magnetresonanztomographie ( MRI ) -Technologie In Screening auf Krebs und andere Krankheiten .

" Die möglichen Verbesserungen in Größe , die einfache , kostengünstige und Mobilität eines Terahertz -basierten Detektor sind phänomenal ", sagte er . " Mit dieser Technologie können Sie möglicherweise die Gestaltung eines tragbaren Terahertz- Erkennungskamera , die Bilder Tumoren in Echtzeit , mit höchster Genauigkeit . Und das ohne die einschüchternde Art der MRT-Technologie getan werden könnte. "

Kohlenstoff-Nanoröhrchen können helfen, die technischen Lücke


Dieses Foto zeigt die Terahertz- Detektor von Forschern an der Sandia National Laboratories , Rice University und dem Tokyo Institute of Technology entwickelt. Die Terahertz- Strahlung wird von einem Kohlenstoffnanoröhren- Dünnfilms durch zwei Goldelektrodenkontaktiert erfasst .
Bildnachweis: Rice University

Sandia , seine Mitarbeiter und Léonard insbesondere studiert haben Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Nanomaterialien verbundenen seit Jahren. Im Jahr 2008 verfasste Léonard Die Physik der Carbon Nanotube -Geräte , die an den experimentellen und theoretischen Aspekte der Kohlenstoff-Nanoröhrchen- Geräten sucht .

Kohlenstoff-Nanoröhren sind lange, dünne Zylinder vollständig aus Kohlenstoffatomen zusammengesetzt ist. Während ihre Durchmesser in der 1- bis 10 -Nanometer- Bereich kann sie bis zu mehrere Zentimeter lang sein. Die CC-Bindung ist sehr stark, so dass es jede Art von Verformung standhält.

Die wissenschaftliche Gemeinschaft ist seit langem interessiert an den Terahertz- Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanoröhren , die Léonard , aber praktisch die gesamte Forschung bislang theoretische gewesen oder Computer - Modell. Eine Handvoll Papiere Terahertz Erfassungs mit Kohlenstoffnanoröhren untersucht , aber diese haben sich hauptsächlich auf die Verwendung eines einzelnen oder einzigen Bündel von Nanoröhrchen konzentrieren .

Das Problem , Leonard gesagt, von Terahertz-Strahlung erfordert typischerweise eine Antenne , um eine Kopplung zu einem einzigen Nanoröhre erzielen aufgrund der relativ großen Größe der Terahertzwellen . Die Sandia , Rice University und Tokyo Institute of Technology Research-Team jedoch einen Weg gefunden, erstellen eine kleine, aber sichtbare - to-the- bloßem Auge Detektor , von Rice -Forscher Robert Hauge und Doktorand Xiaowei Er entwickelte , Kohlenstoff-Nanoröhrchen dünn verwendet , dass Folien ohne eine Antenne erfordern. Die Technik ist damit offen für einfache Fertigung und stellt eine der wichtigsten Errungenschaften des Teams, sagte Leonard .

" Carbon- Nanotube- Dünnfilme sind extrem gute Absorptionsmittel für elektromagnetische Licht ", erklärte er . Im Terahertz-Bereich , stellt sich heraus , dass dünne Filme dieser Nanoröhren saugt sich der gesamte eingehende Terahertz-Strahlung . Nanotube -Filme wurden sogar " der schwärzeste Material " für ihre Fähigkeit, Licht effektiv absorbieren genannt .

Die Forscher waren in der Lage, zusammen wickeln mehrere nanoskopischen große Röhren , um eine makroskopische Dünnschicht , die eine Mischung aus metallischen und halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhren enthält.

" Der Versuch, die mit einer anderen Art von Material zu tun wäre fast unmöglich , da ein Halbleiter und ein Metall nicht im Nanobereich mit einer hohen Dichte nebeneinander bestehen ", erklärte Kono . "Aber das ist , was wir mit den Kohlenstoff-Nanoröhren erreicht . "

Die Technik ist der Schlüssel , sagte er, weil es die hervorragende Terahertz- Absorptionseigenschaften der metallischen Nanoröhren und die einzigartigen elektronischen Eigenschaften der halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhren . Dies ermöglicht es den Forschern , einen Photodetektor , der nicht Leistung erfordert zu bedienen, mit Leistung vergleichbar mit der bestehenden Technologie erreichen .

Ein klarer Weg zur Leistungsverbesserung

Der nächste Schritt für die Forscher , Léonard sagte , ist es, die Entwicklung, Konstruktion und Leistung der Terahertz- Detektor zu verbessern.

Zum Beispiel, um eine unabhängige Terahertz -Strahlungsquelle mit dem Detektor für Anwendungen, die eine Quelle erfordern integrieren müssen sie , so Leonard . Die Mannschaft muß auch Elektronik in das System integrieren und Eigenschaften der Kohlenstoff-Nanoröhrchen- Material weiter zu verbessern.

" Wir haben einige sehr klare Vorstellungen davon, wie wir diese technischen Ziele zu erreichen ", sagte Léonard , fügte hinzu, dass neue Formen der Zusammenarbeit mit der Industrie oder Behörden sind willkommen.

"Unsere technische Errungenschaften eröffnet einen neuen Weg für die Terahertz-Technologie , und ich bin besonders stolz auf die multidisziplinäre und kooperativen Charakter dieser Arbeit auf drei Institutionen ", sagte er .