Ny fotodetektor kunne forbedre nattesynet, termisk sensing og medicinsk billeddannelse

Ved hjælp af grafen, et af videnskabens mest alsidige materialer, ingeniører fra UCLA Samueli School of Engineering har opfundet en ny type fotodetektor, der kan arbejde med flere typer lys end dens nuværende avancerede modstykker. Enheden har også overlegne sansnings- og billeddannelsesegenskaber.

Fotodetektorer er lyssensorer; i kameraer og andre billeddannende enheder, de fornemmer mønstre af elementarpartikler kaldet fotoner, og lav billeder ud fra disse mønstre. Forskellige fotodetektorer er bygget til at registrere forskellige dele af lysspektret. For eksempel, fotodetektorer bruges i nattesynsbriller til at registrere termisk stråling, der er usynlig for det blotte øje. Andre bruges i kameraer, der identificerer kemikalier i miljøet ved, hvordan de reflekterer lys.

Hvor alsidige og nyttige fotodetektorer er afhænger i høj grad af tre faktorer:deres driftshastighed, deres følsomhed over for lavere lysniveauer, og hvor meget af spektret de kan fornemme. Typisk, når ingeniører har forbedret en fotodetektors muligheder inden for et af disse områder, mindst én af de to andre muligheder er blevet formindsket.

Fotodetektoren designet af UCLA-teamet har store forbedringer på alle tre områder - den fungerer på tværs af en bred vifte af lys, behandler billeder hurtigere og er mere følsom over for lave lysniveauer end den nuværende teknologi.

"Vores fotodetektor kan udvide omfanget og potentielle anvendelser af fotodetektorer i billed- og registreringssystemer, " sagde Mona Jarrahi, professor i elektro- og computerteknik, der ledede undersøgelsen. "Det kunne dramatisk forbedre termisk billeddannelse i nattesyn eller i medicinske diagnoseapplikationer, hvor subtile forskelle i temperaturer kan give læger en masse information om deres patienter. Det kunne også bruges i miljøsensorteknologier til mere præcist at identificere koncentrationen af ​​forurenende stoffer."

Undersøgelsen blev offentliggjort i tidsskriftet Lys:Videnskab og applikationer .

Den nye fotodetektor udnytter grafens unikke egenskaber, et supertyndt materiale, der består af et enkelt lag kulstofatomer. Grafen er et fremragende materiale til at detektere fotoner, fordi det kan absorbere energi fra et bredt stykke af det elektromagnetiske spektrum - fra ultraviolet lys til synligt lys til de infrarøde og mikrobølgebånd. Grafen er også en meget god leder af elektrisk strøm - elektroner kan strømme gennem det uhindret.

For at danne fotodetektoren, forskerne lagde strimler af grafen over et lag af siliciumdioxid, som selv dækker en base af silicium. Derefter, de skabte en række kamlignende mønstre i nanoskala, lavet af guld, med "tænder" omkring 100 nanometer brede.

Grafenen fungerer som et net til at fange indkommende fotoner og derefter konvertere dem til et elektrisk signal. De guldkamformede nanomønstre overfører hurtigt denne information til en processor, hvilket igen producerer et tilsvarende billede i høj kvalitet, selv under dårlige lysforhold.

"Vi designede specifikt dimensionerne af grafen nanostriberne og deres metalpletter, således at indkommende synligt og infrarødt lys er tæt indespærret inde i dem, " sagde Semih Cakmakyapan, en UCLA postdoc og hovedforfatter af undersøgelsen. "Dette design producerer effektivt et elektrisk signal, der følger ultrahurtige og subtile variationer i lysets intensitet over hele spektralområdet, fra synlig til infrarød."