Ser på fremtiden gennem grafenbriller

Grafen - en atomtyk plade af kulstof - er blevet udråbt som et nyt vidundermateriale:det er stærkere end stål og leder elektricitet bedre end kobber.

I journalen Natur nanoteknologi i dag, mine kolleger og jeg viser, hvordan grafen kan bruges til at bygge en detektor med lang bølgelængde (langt infrarødt eller terahertz) lys, der er lige så følsomt som enhver eksisterende detektor, men langt mindre og mere end en million gange hurtigere. Detektoren kunne forbedre nattesynsbriller, kemiske analyseværktøjer og lufthavnskropsscannere.

Men før jeg går ind i forskningen, Jeg vil gerne tale om, hvordan vi kommer fra opdagelsen af ​​et nyt vidundermateriale såsom grafen til nye teknologier, der er nyttige.

Som forsker arbejder på nye materialer, Jeg bliver konstant spurgt "hvad er det godt for?" For at svare på dette, det første, vi forskere ofte forsøger, er at forestille os det nye materiale som en erstatning for et eksisterende i en eksisterende teknologi.

Problemet med den tilgang er, at enhver eksisterende teknologi har en masse momentum. For eksempel, overveje computerprocessorer. Elektronerne i grafen bevæger sig omkring 70 gange hurtigere end dem i silicium (bruges i de fleste computerprocessorer i dag) under de samme forhold, så grafen kunne uden tvivl bruges til at lave hurtigere computerchips.

Men det er ikke så enkelt. Der er mange grunde til, at vi bruger silicium udover den hastighed, hvormed elektroner bevæger sig - det danner let en stærk oxidbelægning, og det er let at dope, at nævne et par. Og at skifte til et radikalt andet materiale ville betyde at smide al den infrastruktur, der blev brugt til at fremstille siliciumchips, der blev udviklet med enorme omkostninger i løbet af de sidste årtier.

Så et bedre spørgsmål – selvom det er meget sværere at besvare – er at spørge, hvad et nyt materiale kan sætte os i stand til at gøre, som intet andet materiale har gjort før. Svarene på det spørgsmål kommer ikke altid med det samme, og nogle gange kommer de serendipitously.

To lag er bedre end et

En egenskab ved grafen, der interesserede mig, var, at tolagsgrafen (to lag stablet på hinanden) har et båndgab - den grundlæggende egenskab ved en halvleder - som kan indstilles ved at anvende et elektrisk felt på materialet.

Jeg gik sammen med forskere ved University of Maryland for at prøve at måle dette båndgab ved hjælp af infrarødt lys, da infrarøde fotoner har energier, der ligner tolagsgrafens båndgab. Da vi målte konduktansen af ​​vores tolagsgrafen under infrarød belysning, vi fandt ud af, at det ændrede sig meget mere, end vi havde forventet.

Faktisk, ændringen i konduktans i vores grafen var større end i den kommercielle siliciumfotodetektor, vi brugte til at måle styrken af ​​vores infrarøde stråle! Af en eller anden grund, vores grafen var en fremragende fotodetektor.

Vi vidste nok om grafen til at finde ud af, hvad der skete. Når elektronerne i grafen absorberer lys, de varmes op. I de fleste materialer, elektronerne mister hurtigt energi til atomernes vibrationer, som vi fornemmer som varme.

Men i grafen er denne proces med varmetab meget ineffektiv, hvilket giver grafen dens ekstraordinært høje elektriske ledningsevne. Det, vi indså, er, at tolagsgrafen med et båndgab har en ledningsevne, der varierer kraftigt med elektrontemperaturen, giver os mulighed for at udlæse ændringen i elektrontemperaturen forårsaget af lyset, der opvarmer elektronerne.

Sådan en enhed kaldes et "hot elektron bolometer", og tolagsgrafen er en meget god en. Vi offentliggjorde vores resultat i tidsskriftet Natur nanoteknologi i 2012, og flere forskergrupper er interesserede i at udvikle grafenbolometre som udsøgt følsomme kryogeniske detektorer til brug i radioastronomi.

Desværre, den bolometriske effekt virker kun godt ved lav temperatur, hvor tolagsgrafens modstand ændres kraftigt med temperaturen. Men vi vidste fra vores målinger, at varme elektroneffekter burde være vigtige i grafen ved stuetemperatur.

Vores team designede en enhed, der kunne måle de varme elektroner ved stuetemperatur, ved hjælp af en effekt kaldet termoelektricitet. Vores første fototermoelektriske grafendetektorer var sammenlignelige i følsomhed med de bedst tilgængelige rumtemperaturdetektorer af lys i det fjerne infrarøde, eller terahertz, regime af det elektromagnetiske spektrum, og vi så plads til størrelsesordensforbedringer i følsomhed med nye designs.

Interessant nok, vores enheder var mere end en million gange hurtigere end disse detektorer, og det er disse resultater, vi offentliggør i dag, endnu engang ind Natur nanoteknologi .

Grafen viser os lyset

Detektion af infrarødt og terahertz lys har adskillige anvendelsesmuligheder, fra kemisk analyse til nattesynsbriller til kropsscannere, der bruges i lufthavnssikkerhed.

Men da en ultrahurtig, følsom terahertz-detektor var aldrig blevet betragtet som en mulighed før, det er svært at sige, hvor vores enheder kan anvendes.

Vores detektor kan bruges til at fremskynde kemiske analyseteknikker såsom Fourier transform infrarød spektroskopi, eller FTIR.

Fordi grafendetektoren let er mikrofabrikeret, vi forestiller os arrays af detektorpixel, der er egnet til billeddannelse, hvilket kan føre til billige infrarøde kameraer eller nattesynsbriller.

Vores beregninger viser, at den varme elektron fototermoelektriske effekt kan være et effektivt middel til at indsamle energi fra lys. Måske kunne vores enheder bruges til at samle det infrarøde lys, der undslipper Jorden til nattehimlen, og gør det til elektricitet. Måske bliver de brugt til noget, som vi ikke engang har tænkt på endnu.

Men havde vi aldrig sat os for at undersøge et nyt materiale blot for at forstå, hvordan det fungerer, vi ville aldrig have opdaget disse nye svar på spørgsmålet, "hvad er det godt for?"

Denne historie er udgivet med tilladelse fra The Conversation (under Creative Commons-Attribution/No derivatives).