Termisk syn:Grafen lysdetektor først til at spænde over infrarødt spektrum

Den første rumtemperatur-lysdetektor, der kan registrere det fulde infrarøde spektrum, har potentialet til at sætte varmesynsteknologi ind i en kontaktlinse.

I modsætning til sammenlignelige mellem- og fjerninfrarøde detektorer, der i øjeblikket er på markedet, detektoren udviklet af University of Michigan ingeniørforskere behøver ikke omfangsrigt køleudstyr for at fungere.

"Vi kan gøre hele designet supertyndt, " sagde Zhaohui Zhong, adjunkt i elektroteknik og datalogi. "Den kan stables på en kontaktlinse eller integreres med en mobiltelefon."

Infrarødt lys starter ved bølgelængder lige længere end synligt rødt lys og strækker sig til bølgelængder op til en millimeter lange. Infrarødt syn er måske bedst kendt for at spotte mennesker og dyr i mørke og varmelækager i huse, men det kan også hjælpe læger med at overvåge blodgennemstrømningen, identificere kemikalier i miljøet og give kunsthistorikere mulighed for at se Paul Gauguins skitser under lag af maling.

I modsætning til det synlige spektrum, hvilke konventionelle kameraer optager med en enkelt chip, infrarød billeddannelse kræver en kombination af teknologier for at se nær-, mellem- og fjerninfrarød stråling på én gang. Stadig mere udfordrende, de mellem-infrarøde og fjern-infrarøde sensorer skal typisk have meget kolde temperaturer.

grafen, et enkelt lag af kulstofatomer, kunne fornemme hele det infrarøde spektrum – plus synligt og ultraviolet lys. Men indtil nu, det har ikke været levedygtigt til infrarød detektion, fordi det ikke kan fange nok lys til at generere et detekterbart elektrisk signal. Med et atoms tykkelse, den absorberer kun omkring 2,3 procent af det lys, der rammer den. Hvis lyset ikke kan producere et elektrisk signal, grafen kan ikke bruges som sensor.

"Udfordringen for den nuværende generation af grafen-baserede detektorer er, at deres følsomhed typisk er meget dårlig, " sagde Zhong. "Det er hundrede til tusind gange lavere end hvad en kommerciel enhed ville kræve."

For at overvinde den forhindring, Zhong og Ted Norris, Gerard A. Mourou professor i elektroteknik og datalogi, arbejdet sammen med kandidatstuderende om at designe en ny måde at generere det elektriske signal på. I stedet for at prøve direkte at måle de elektroner, der frigøres, når lys rammer grafen, de forstærkede signalet ved i stedet at se på, hvordan de lysinducerede elektriske ladninger i grafenet påvirker en nærliggende strøm.

"Vores arbejde var banebrydende for en ny måde at detektere lys på, " sagde Zhong. "Vi forestiller os, at folk vil være i stand til at anvende den samme mekanisme i andre materiale- og enhedsplatforme."

For at lave enheden, de lægger et isolerende barrierelag mellem to grafenplader. Det nederste lag havde en strøm igennem sig. Når lys rammer det øverste lag, det frigjorde elektroner, skabe positivt ladede huller. Derefter, elektronerne brugte et kvantemekanisk trick til at slippe gennem barrieren og ind i det nederste lag af grafen.

De positivt ladede huller, efterladt i det øverste lag, produceret et elektrisk felt, der påvirkede strømningen af ​​elektricitet gennem bundlaget. Ved at måle ændringen i strøm, holdet kunne udlede lysstyrken af ​​lyset, der rammer grafen. Den nye tilgang tillod følsomheden af ​​en grafenenhed med stuetemperatur at konkurrere med den af ​​afkølede mid-infrarøde detektorer for første gang.

Enheden er allerede mindre end en pinky negl og kan let nedskaleres. Zhong foreslår arrays af dem som infrarøde kameraer.

"Hvis vi integrerer det med en kontaktlinse eller anden bærbar elektronik, det udvider dit syn, " sagde Zhong. "Det giver dig en anden måde at interagere med dit miljø på."

Mens fuldspektret infrarød detektion sandsynligvis vil finde anvendelse i militære og videnskabelige teknologier, spørgsmålet for det generelle teknologimarked kan snart være, "Vil vi se i infrarød?"

Enheden er beskrevet i et papir med titlen "Graphene fotodetektorer med ultrabredbånd og høj reaktionsevne ved stuetemperatur, " som vises online i Natur nanoteknologi .