Ultrahøj følsomhed grafen infrarøde detektorer til billeddannelse og spektroskopi

Forskere fra Graphene Flagship har udviklet en ny grafenbaseret infrarød (IR) detektor, der demonstrerer rekordhøj følsomhed for termisk detektion. Graphens unikke egenskaber baner vejen for højtydende IR-billeddannelse og spektroskopi.

Grafens fordele er åbningsmuligheder inden for højtydende IR-billeddannelse og spektroskopi. Forskere fra Graphene Flagship, arbejder ved University of Cambridge (UK), Emberion Ltd. (Storbritannien), Institute of Photonic Sciences (ICFO; Spanien), Nokia UK, og University of Ioannina (Grækenland) har udviklet et grafenbaseret pyroelektrisk bolometer, der detekterer infrarød (IR) stråling ved at måle små temperaturændringer med et ultrahøjt nøjagtighedsniveau. Arbejdet, udgivet i Naturkommunikation , demonstrerer den højeste rapporterede temperaturfølsomhed for grafenbaserede uafkølede termiske detektorer, i stand til at løse temperaturændringer ned til et par snesevis af µK. Kun et par nano-watt IR-strålingseffekt er påkrævet for at producere en så lille temperaturvariation i isolerede enheder, omkring 1000 gange mindre end IR -strømmen leveret til detektoren af ​​en menneskelig hånd i umiddelbar nærhed.

Detektorens høje følsomhed er til stor nytte til spektroskopiske applikationer ud over termisk billeddannelse. Med en højtydende grafenbaseret IR-detektor, der giver et stærkt signal med mindre indfaldende stråling, det er muligt at isolere forskellige dele af IR -spektret. Dette er af afgørende betydning i sikkerhedsprogrammer, hvor forskellige materialer - f.eks. sprængstof - kan kendetegnes ved deres karakteristiske IR -absorptions- eller transmissionsspektre.

Dr. Alan Colli, Principal Engineer hos Emberion og medleder af forskningen, sagde:"Med en detektor med højere følsomhed, man kan begrænse det store termiske bånd og stadig danne et billede ved hjælp af fotoner i et meget snævert spektralområde og foretage multi-spektral IR-billeddannelse. For sikkerhedsscreening, der er specifikke signaturer, som materialer udsender eller absorberer i smalle bånd. Så, du vil have en detektor, der er uddannet i det smalle bånd. Dette kan være nyttigt, når man leder efter sprængstof, farlige stoffer, eller noget i den stil. "

Typiske IR -fotodetektorer fungerer enten via den pyroelektriske effekt, eller som bolometre, som måler ændringer i modstand på grund af opvarmning. Det grafenbaserede pyroelektriske bolometer kombinerer begge fremgangsmåder med grafens fremragende elektriske egenskaber, for maksimal ydelse. Graphene fungerer som en indbygget forstærker til signalet, fjernelse af behovet for eksterne transistorer - hvilket betyder ingen tab på grund af parasitisk kapacitans, og bemærkelsesværdigt lav støj. Grafens høje ledningsevne giver også en praktisk impedansmatchning med det eksterne aflæste integrerede kredsløb (ROIC), der bruges til at kommunikere med detektorpixel og optageenhed. Med den kontinuerlige forbedring af kvaliteten af ​​grafen (f.eks. højere mobilitet), robuste enheder med et udvidet dynamisk område (temperaturområde, som enheden fungerer pålideligt over), kan fremstilles, mens den samme fremragende temperaturresponsivitet bevares.

Prof. Andrea Ferrari, Direktør for Cambridge Graphene Center og medforfatter til værket sagde "Dette arbejde er endnu et eksempel på den stabile march af grafen på køreplanen mod applikationer. Emberion er et nyt firma, der er skabt til at producere grafenfotonik og elektronik til infrarøde fotodetektorer og termiske sensorer , og dette arbejde eksemplificerer, hvordan grundlæggende videnskab og teknologi kan føre til hurtig kommercialisering. "Ferrari er videnskabs- og teknologiofficer for Graphene Flagship, og formand for Flagship Management Panel.

Prof. Frank Koppens, medforfatter til værket, er leder af Quantum Nano-Optoelectronics på ICFO, og leder Photonics og Optoelectronics arbejdspakken i Graphene Flagship. "En af de mest lovende anvendelser af grafen er bredbånds fotodetektering og billeddannelse. Kombination af synlig og infrarød detektion i et materialesystem er ikke mulig med nogen anden eksisterende teknologi. Graphene Flagship -programmet vil yderligere bygge videre på dette arbejde med at udvikle hyperspektrale billeddannelsessystemer, og udnytter de retninger, hvor grafen er unikt, " han sagde.

Dr. Daniel Neumaier (AMO, Tyskland) er leder af Graphene Flagship Electronics and Photonics Integration Division og var ikke direkte involveret i arbejdet. Han sagde "Markedsstørrelsen for IR -detektorer er steget dramatisk i de sidste par år, og disse enheder kommer ind i flere og flere anvendelsesområder. Især spektroskopisk sikkerhedsscreening bliver vigtigere. Dette kræver høj følsomhed under drift ved stuetemperatur. Det nuværende arbejde er et stort skridt fremad for at opfylde disse krav i grafenbaserede IR-detektorer. "