Met infraroodlicht kun je dwars door regen, mist of nevel heen kijken. In de luchtvaart en bij bepaalde autonome voertuigen is daarom infrarood al in systemen ingebouwd. Deze technologie zou echter ook van pas kunnen komen in tal van andere dagelijkse toepassingen. Maar de hoge kosten beperken het gebruik ervan. Een groep Europese onderzoekers – van Politecnico di Milano, Italië, en het Duitse Onderzoekscentrum Jülich (FZJ), heeft een betaalbare infrarooddetector ontworpen. Deze kan zo in de huidige camera-chips en smartphones worden ingebouwd.
Het apparaat bestaat uit verschillende lagen halfgeleidermateriaal die germanium en germanium-tin bevatten. De basis is gemaakt van een dunne siliciumwafer. Daardoor worden twee belangrijke infraroodbereiken zichtbaar: het kortegolf-infrarood (SWIR) en het nabij-infrarood (NIR). Op deze manier kunnen, zonder optisch element, twee verschillende spectrale beelden – die beide complementair zijn – worden verkregen uit hetzelfde apparaat.
“Infraroodtechnologie betaalbaar maken, zodat ze op verschillende gebieden kan worden toegepast, is een van onze doelstellingen”, zegt prof. Giovanni Isella van Politecnico di Milano. Het idee van een detector is voortgekomen uit het partnerschap tussen zijn universiteit en de Roma Tre-universiteit. De twee Italiaanse universiteiten hadden eerder een ander prototype ontworpen met verschillende soorten materialen. Toen kreeg FZJ belangstelling voor het project en sloot zich aan bij het onderzoek. Daarbij werd de germanium-tin halfgeleiderlegeringontwikkeld waaruit het apparaat is opgebouwd.
Germanium kweken
“Het belangrijkste dat we in Jülich hebben ontwikkeld is de epitaxie: hoe je een materiaal kweekt. Zodra je het materiaal hebt, kun je nadenken over verschillende soorten apparaten die je zou willen maken”, voegt Dr. Dan Buca, van Forschungszentrum Jülich, eraan toe. Het Duitse onderzoeksinstituut slaagde er voor het eerst in germanium te kweken.
“Het is een goed kunstmatig materiaal. Maar niemand was ooit eerder in staat om het te maken met de kristalliniteit die nodig is. In 2015 vonden we een manier om germanium-tin te maken met een voldoende hoge concentratie”, legt prof. Detlev Grützmacher, de directeur van FZJ, uit. Met een siliciumsubstraat kan het apparaat gemakkelijk worden geïntegreerd in bestaande systemen, waardoor het bruikbaar wordt voor vele toepassingen.
Materiaalherkenning
Een van de experimenten die de onderzoekers uitvoerden, bestond uit het testen van de detector met twee flessen. De ene was gevuld met isopropanol, terwijl de andere tolueen bevatte. “Onder normale lichtomstandigheden zien ze er allebei kleurloos uit. Je zou zomaar kunnen denken dat het twee flessen met water zijn. Wanneer je ze echter bekijkt onder de twee infrarood-bereiken, vertoont elk van hen een verschillend niveau van lichtdoorlatendheid”, legt Prof. Isella uit.
Het integreren van het apparaat met artificiële intelligentie (AI) om materialen te detecteren is een andere potentiële toepassing. Zo kan de luchthavenbeveiliging worden verbeterd omdat vloeistoffen in bagage direct geanalyseerd kunnen worden. De koppeling van de detector met AI kan ook leiden tot nieuwe gezichtsherkenningssystemen. “Een voordeel van op NIR gebaseerde detectiesystemen is dat ze niet worden beïnvloed door het weer of door omgevingslicht, waardoor ze nauwkeuriger zijn”, zegt Dr. Buca.
Valse bankbiljetten
Een ander kenmerk van het apparaat is het vermogen om door inkt heen te kijken. “De meeste inkt ziet er voor het menselijk oog ondoorzichtig uit. Onder infrarood licht zien sommige inkten er echter transparant uit. Dit zou kunnen helpen bij het opsporen van valse bankbiljetten”, merkt professor Isella op. Bovendien is de detector ook in staat door verflagen heen te kijken.
Het inbouwen van infraroodtechnologie in auto’s is niets nieuws, maar door de hoge kosten was het niet mogelijk dit op grote schaal toe te passen. “Het menselijk oog kan geen infrarood licht zien. Daarom zou het een goede oplossing zijn om het in auto’s te gebruiken in plaats van de gewone koplampen. Op die manier heb je ‘s nachts op de weg goed zicht zonder de andere bestuurders te verblinden”, legt prof. Isella uit. Zo kun je met infraroodkoplampen ook heel goed door mist en regen heenkijken. Dat is vooral handig bij autonoom rijdende voertuigen.
“Zelfrijdende auto’s moeten namelijk in alle weersomstandigheden verkeersborden kunnen lezen . Ze moeten zien waar de randen van de straat zijn. Dat doen ze nu ook, maar met behulp van een camera die werkt met gewoon licht”, verduidelijkt Dr. Buca. “Het gebruik van infraroodlicht kan een enorme vooruitgang betekenen.”
Medische toepassingen
Dankzij infrarood licht kunnen we enorm veel informatie over de ons omringende atmosfeer verkrijgen. Zo kun je het toepassen bij het detecteren van emissies en luchtverontreinigingen. Maar er zijn ook mogelijkheden op het medische vlak. Volgens onderzoek van de Sichuan Universiteit in China valt uit onze adem ook veel informatie te halen. Als er te veel aceton in zit, zou je diabetes kunnen hebben. Veel ammoniak kan duiden op een nierziekte. Met name voor mensen met diabetes zou het in de toekomst mogelijk kunnen zijn om op hun smartphone te blazen en met een gekalibreerde detector de hoeveelheid suiker in hun bloed te meten.
Naarmate deze technologie verder worden uitgewerkt, zijn nog vele andere toepassingen denkbaar. Op dit moment is de detector alleen getest in laboratoriumomstandigheden. De volgende stap is het systeem draagbaar maken en het zo te ontwerpen dat het in andere apparaten als een smartphone kan worden ingebouwd.
Foto: Het systeem dat gebruikt werd voor de ontwikkeling van de detector.
Ook interessant: Een betaalbare microscoop voor het onzichtbare licht
