Forskere skaber hurtigere, mere følsom fotodetektor ved at narre grafen

(Phys.org) - Forskere ved Center for Nanofysik og avancerede materialer fra University of Maryland har udviklet en ny type varm elektronbolometer en følsom detektor for infrarødt lys, der kan bruges i en lang række applikationer fra påvisning af kemiske og biokemiske våben på afstand og brug i sikkerhedsteknologier såsom lufthavnskropsscannere, til kemisk analyse i laboratoriet og studere universets struktur gennem forbedrede teleskoper.

UMD -forskerne, ledet af forskningsassistent Jun Yan og professorerne Michael Fuhrer og Dennis Drew, udviklede bolometeret ved hjælp af to-lags grafen-to atomtykkelsesplader af kulstof. På grund af grafens unikke egenskaber, bolometeret forventes at være følsomt over for en meget bred vifte af lysenergier, lige fra terahertz -frekvenser eller submillimeterbølger gennem det infrarøde til synligt lys.

Den grafen varme elektron bolometer er særlig lovende som en hurtig, følsom, og støjsvag detektor af submillimeterbølger, som er særligt vanskelige at opdage. Fordi disse fotoner udsendes af relativt kølige interstellare molekyler, submillimeter astronomi studerer de tidlige stadier af dannelsen af ​​stjerner og galakser ved at observere disse interstellare skyer af molekyler. Følsomme detektorer af submillimeterbølger søges efter nye observatorier, der vil bestemme rødforskydninger og masser af meget fjerne unge galakser og muliggøre undersøgelser af mørk energi og udviklingen af ​​struktur i universet.

Maryland -teamets resultater offentliggøres i 3. juni -udgaven af Naturnanoteknologi .

De fleste fotondetektorer er baseret på halvledere. Halvledere er materialer, der har en række energier, som deres elektroner er forbudt at optage, kaldes et bandgab. Elektronerne i en halvleder kan absorbere lysfotoner med energier større end båndgabsenergien, og denne egenskab danner grundlaget for enheder såsom fotovoltaiske celler.

Graphene, et enkelt atom-tykt plan af grafit, er unik ved at have en båndgap på nøjagtigt nul energi; grafen kan derfor absorbere fotoner af enhver energi. Denne egenskab gør grafen særligt attraktiv til at absorbere fotoner med meget lav energi (terahertz og infrarød), som passerer gennem de fleste halvledere. Graphen har en anden attraktiv egenskab som fotonabsorber:elektronerne, der absorberer energien, er i stand til at beholde den effektivt, i stedet for at miste energi til vibrationer i materialets atomer. Den samme egenskab fører også til ekstremt lav elektrisk modstand i grafen.

University of Maryland forskere udnyttede disse to egenskaber til at udtænke det varme elektronbolometer. Det virker ved at måle ændringen i modstanden, der skyldes opvarmning af elektronerne, når de absorberer lys.

Normalt, grafens modstand er næsten uafhængig af temperatur, uegnet til et bolometer. Så Maryland -forskerne brugte et særligt trick:når to -lags grafen udsættes for et elektrisk felt, har det et lille båndgab, stor nok til at dets modstand bliver stærkt temperaturafhængig, men lille nok til at bevare sin evne til at absorbere lavenergi infrarøde fotoner.

Forskerne fandt ud af, at deres bilayer grafen -varme elektron -bolometer, der opererede ved en temperatur på 5 Kelvin, havde sammenlignelig følsomhed med eksisterende bolometre, der opererede ved lignende temperaturer, men var mere end tusinde gange hurtigere. De ekstrapolerede grafenbolometerets ydeevne til lavere temperatur og fandt ud af, at det kan slå alle eksisterende teknologier.

Nogle udfordringer er tilbage. Det dobbeltlagede grafenbolometer har en højere elektrisk modstand end lignende enheder, der bruger andre materialer, hvilket kan gøre det svært at bruge ved høje frekvenser. Derudover bilags grafen absorberer kun få procent af indfaldende lys. Men Maryland -forskerne arbejder på måder at komme uden om disse vanskeligheder med nye enhedsdesign, og er overbeviste om, at en grafen har en lys fremtid som fotodetekterende materiale.