Enheden bruger grafenplasmoner til at konvertere melleminfrarødt lys til elektriske signaler

Et team af forskere har udviklet en enhed, der bruger materialet grafen til at detektere melleminfrarødt lys og effektivt konvertere det til elektrisk signal ved stuetemperatur. Det er et gennembrud, der kan føre til bedre kommunikationssystemer, termiske billedbehandlere og andre teknologier.

Udgivet i Naturmaterialer , undersøgelsen er et samarbejde mellem laboratorierne i Fengnian Xia, Barton L. Weller Lektor i teknik og videnskab og F. Javier Garcia de Abajo fra Institute of Photonic Sciences (ICFO), Spanien.

Midt-infrarød stråling på 8 til 14 mikrometer er yderst nyttig til termisk billeddannelse og afsløring af molekylspecifikke spektroskopiske oplysninger. Ud over, sådan stråling kan forplante sig i luften uden væsentligt tab, hvilket indikerer dens enorme potentiale i ledig kommunikation og fjernmåling. Imidlertid, konventionelle stuetemperatur mellem-infrarøde infrarøde detektorer er typisk meget langsomme på grund af den store termiske kapacitet, hvilket fører til en lang tidskonstant for varmeafledning.

Enheden demonstreret i denne undersøgelse drager fordel af de unikke egenskaber ved den meget ledende, atom tyndt grafen, som er et enkelt lag carbonatomer, og dens plasmon - en mængde af dets kollektive elektronoscillationer.

"Graphen er en slags materiale, der kan omdanne melleminfrarødt lys til plasmoner, og derefter kan plasmonerne omdanne til varme, "sagde Qiushi Guo, en ph.d. studerende i Xia's laboratorium og første forfatter af undersøgelsen. "Det, der virkelig er unikt ved grafen, er, at elektronstemperaturstigningen forårsaget af plasmonforfald er meget højere end for andre materialer"

Graphens modstand er meget ufølsom over for temperatur ved stuetemperatur, som resultat, det er vanskeligt elektrisk at opdage midt-infrarødt lys undtagen ved ekstremt kolde temperaturer, hvilket betyder, at den ikke kan integreres i brugbare enheder. Til det formål, i dette arbejde udviklede forskerne en ny enhed, der indeholder plasmoniske resonatorer med grafendisk, der er forbundet med kvasi-en-dimensionelle nanoribber. Det kan effektivt opdage det mellem-infrarøde lys ved stuetemperatur.

"Vores enhed har kunstige nanostrukturer, der omdanner lys til plasmoner, og derefter til elektronisk varme, "Guo sagde." Dens modstand er også meget følsom over for temperaturstigningen. I modsætning til det i grafenark, i smalle grafen -nanoribbons, elektrontransport afhænger stærkt af elektronens termiske energi. "

Hvad mere er, Guo sagde, er, at enheden reagerer meget hurtigt på de melleminfrarøde stråler. "Eksisterende rumtemperatur termiske sensorer har generelt en stor varmekapacitet og veldesignede varmeisoleringsstrukturer. De tager normalt millisekunder at varme op. Men for grafen, det kan være superhurtigt - et nanosekund, eller bare 1 milliarddel af et sekund. "Dette gør grafendetektoren meget velegnet til højhastigheds-frirumskommunikationsapplikationer i melleminfrarød, hvilket er uden for rækkevidde af konventionelle mikrobolometre, der arbejder ved stuetemperatur.

Enheden er enkel og skalerbar. Bemærkelsesværdigt, enhedens fodaftryk kan være endnu mindre end lysets bølgelængde. "Det giver mange nye muligheder inden for melleminfrarød fotonik, "Sagde Xia." Bygger et højopløsende melleminfrarødt kamera med subbølgelængdepixels, for eksempel, eller at blive integreret på fotoniske integrerede kredsløb for at muliggøre mellem-infrarøde spektrometre på en enkelt chip. "