En ny strålingsdetektor lavet af grafen

Grafen er et bemærkelsesværdigt materiale:let, stærk, transparent og elektrisk ledende. Det kan også omdanne varme til elektricitet. Forskere har for nylig udnyttet denne termoelektriske egenskab til at skabe en ny slags strålingsdetektor.

Klassificeret som et bolometer, den nye enhed har en hurtig responstid og, i modsætning til de fleste andre bolometre, fungerer over et bredt temperaturområde. Med et enkelt design og relativt lave omkostninger, denne enhed kunne skaleres op, muliggør en bred vifte af kommercielle applikationer. Forskere beskriver en grafen-baseret strålingsdetektor i denne uge i Anvendt fysik bogstaver , fra AIP Publishing.

Opdagelsen af ​​grafen i 2004 forventedes at varsle en helt ny type teknologi. "Men desværre, der er nogle stærke grundlæggende begrænsninger for dette materiale, " sagde Grigory Skoblin fra Chalmers Tekniske Universitet i Sverige. "I dag, de reelle industrielle anvendelser af grafen er ret begrænsede."

Grafen - sammensat af enkelte plader af kulstofatomer, der danner en flad, sekskantet gitterstruktur - er blevet brugt hovedsageligt på grund af dets mekaniske egenskaber.

"Men vores enhed viser, at mere grundlæggende egenskaber kan bruges i faktiske applikationer, " sagde Skoblin. Det nye bolometer er baseret på grafens termoelektriske egenskaber. Stråling opvarmer en del af enheden, få elektroner til at bevæge sig. De forskudte elektroner genererer et elektrisk felt, hvilket skaber en spændingsforskel over enheden. Spændingsændringen giver således en i det væsentlige direkte måling af strålingen.

Andre enheder er afhængige af generering af elektrisk strøm eller modstandsændringer ved indkommende stråling. Men måling af ændringer i strøm eller modstand kræver en ekstern strømkilde for at generere en indledende strøm. Mekanismen er meget enklere end i andre bolometre, ifølge Skoblin.

Stykket grafen i det nye bolometer er lille, så det er et af de hurtigste bolometre, fordi det varmer op og reagerer hurtigt. Desuden, enheden forbliver følsom over for stråling ved temperaturer op til 200 grader Celsius. Konventionelle bolometre fungerer typisk kun ved kryogene temperaturer.

Andre forskere har tidligere lavet grafen bolometre, med bedre egenskaber end denne nye enhed, men disse modeller indeholder et dobbelt lag af grafen, gør dem sværere at skalere, sagde Skoblin.

En anden fordel ved den nye enhed er dens belægning. Forskerne har tidligere udviklet en metode til at belægge grafen med en dielektrisk polymer kaldet Parylene, som giver en god balance mellem ydeevne og skalerbarhed. Du kan få bedre ydeevne ved at belægge med sekskantet bornitrid, Skoblin sagde, men det er svært at tilegne sig, og belægningsteknikkerne er svære at skalere op. Andre undersøgelser tyder på, at et bolometer med hexagonal bornitridbelægning ville være mindre effektivt.

Prototypen bolometer fungerer kun med mikrobølgestråling ved 94 gigahertz, men fremtidige designs vil udvide frekvensområdet. Næste, forskerne planlægger at lave enheden ved hjælp af kemisk dampaflejring til at dyrke større stykker grafen, baner vejen for masseproduktion.