Новые сенсоры «теплового зрения» улучшат видимость техники сквозь помехи

Международная группа исследователей, включая российских ученых, разработала уникальный инфракрасный сенсор, который одновременно «видит» излучение двумя способами: как фотодетектор и как тепловой датчик. Эта новая технология обеспечит более точное обнаружение объектов и различение материалов по их температурному следу, что может быть полезно в тепловизорах, системах ночного видения, промышленной диагностике и космической технике. Сенсор будет эффективен в условиях оптических помех, таких как дым, туман или пыль. Об этом пишет портал Известия.

Ученые создали инфракрасный детектор, который регистрирует излучение двумя способами: как фотоприемник и как тепловой сенсор. Работу выполнил международный коллектив, включая ведущих российских исследователей из МИСИС, МПГУ, РКЦ и МИЭМ НИУ ВШЭ. Новый подход открывает возможности для создания высокоэффективных устройств нового поколения, которые смогут анализировать объекты с различной температурой и лучше «видеть» сквозь оптические помехи.

Инфракрасные детекторы находят применение в промышленном контроле, медицине, экологии, системах ночного видения и космической технике. Обычно такие устройства работают по одному из двух принципов: либо фотоэлектрические датчики преобразуют фотоны в электрический сигнал, либо тепловые сенсоры фиксируют изменение характеристик материалов из-за нагрева под действием излучения.

Чтобы объединить эти два принципа, ученые разработали инновационный инфракрасный сенсор на основе монокристаллов теллурида свинца, который впервые сочетает два механизма регистрации излучения — фотоэлектрический и тепловой, что повышает эффективность обнаружения объектов.

— Мы продемонстрировали, что один полупроводниковый элемент может регистрировать инфракрасное излучение двумя различными физическими способами. При этом механизмы практически не влияют друг на друга. При воздействии средневолнового инфракрасного излучения с длиной волны 2–5 мкм устройство функционирует как обычный фотодиод. При более длинноволновом излучении, от 10,6 мкм, активируется другой механизм — барьерный пироэлектрический эффект, — пояснил лаборант-исследователь лаборатории фотонных газовых сенсоров НИТУ МИСИС Данил Кобцев.

Теллурид свинца относится к материалам с центром симметрии, не проявляющим пироэлектрический эффект в обычных условиях. Ученые ввели в него примесь индия и сформировали p–n-переход, что позволило создать встроенное электрическое поле внутри кристалла. Это нарушило локальную симметрию, сдвинув подрешетки ионов, что привело к образованию значительного электрического сигнала для регистрации излучения с энергией ниже ширины запрещенной зоны. При этом материал сохранил все свои стандартные фотоэлектрические характеристики, что и позволило объединить два механизма регистрации ИК-излучения в одном устройстве, — добавил заведующий лабораторией фотонных газовых сенсоров НИТУ МИСИС Вадим Ковалюк.

Исследователи подтвердили работоспособность экспериментальных образцов в температурном диапазоне от −233 до −83 градусов. Испытания показали высокую чувствительность в фотоэлектрическом режиме, устойчивый тепловой отклик и стабильность характеристик при длительной эксплуатации.

— Разработанная полупроводниковая архитектура создает основу для создания универсальных, компактных и точных матричных сенсоров, которые могут быть использованы в тепловизорах, системах наблюдения, а также для промышленной диагностики и научных исследований, — отметил главный научный сотрудник лаборатории квантовых коммуникаций НТИ МИСИС Григорий Гольцман.

Основным преимуществом таких дуальных фотодетекторов перед классическими конструкциями на основе арсенида галлия, фосфида индия или антимонида индия является расширенный диапазон детектирования света. За счет совмещения двух способов распознавания спектральный диапазон чувствительности теллурида свинца увеличивается, что открывает новые возможности для применения в спектрометрах. Особенно перспективно использование разработанных фотодетекторов в камерах ИК-диапазона.

Такие сенсоры интересны тем, что одно и то же устройство может работать в двух режимах: как фотоприемник и как тепловой датчик. Это значит, что его можно использовать для анализа объектов с разной температурой, более точного различения материалов по их тепловому следу и работы в условиях оптических помех. Это открывает новые практические направления для техники.

— Разработка будет полезна для тепловизоров и систем наблюдения нового поколения, где двойной режим поможет лучше видеть объекты в сложных условиях, различать маскировку и повышать достоверность детектирования. В медицине такие сенсоры могут стать основой более точных бесконтактных термометров и диагностических систем. В перспективе это также может быть полезно для космической техники, систем безопасности и научных приборов, где важны компактность, чувствительность и широкий диапазон работы, — добавил специалист. Подробности исследования опубликованы в журнале Journal of Applied Physics. Проект реализован при поддержке Российского научного фонда и Министерства науки и высшего образования.