Grafen är ett anmärkningsvärt material:lätt, stark, transparent och elektriskt ledande. Det kan också omvandla värme till el. Forskare har nyligen utnyttjat denna termoelektriska egenskap för att skapa en ny typ av strålningsdetektor.

Klassificerad som en bolometer, den nya enheten har en snabb responstid och till skillnad från de flesta andra bolometrar, fungerar över ett brett temperaturintervall. Med en enkel design och relativt låg kostnad, den här enheten kan skalas upp, möjliggör ett brett utbud av kommersiella applikationer. Forskare beskriver en grafenbaserad strålningsdetektor den här veckan Tillämpad fysikbokstäver , från AIP Publishing.

Upptäckten av grafen 2004 förväntades berätta en helt ny typ av teknik. "Men tyvärr, det finns några starka grundläggande begränsningar för detta material, "sa Grigory Skoblin från Chalmers tekniska universitet i Sverige." Numera, de verkliga industriella tillämpningarna av grafen är ganska begränsade. "

Grafen - sammansatt av enstaka ark kolatomer som bildar en platt, sexkantig gitterstruktur - har huvudsakligen använts för sina mekaniska egenskaper.

"Men vår enhet visar att mer grundläggande egenskaper kan användas i faktiska applikationer, "Sa Skoblin. Den nya bolometern är baserad på grafens termoelektriska egenskaper. Strålning värmer en del av enheten, få elektroner att röra sig. De förskjutna elektronerna genererar ett elektriskt fält, vilket skapar en spänningsskillnad över enheten. Förändringen i spänning ger således en väsentligen direkt mätning av strålningen.

Andra enheter förlitar sig på generering av elektrisk ström eller motståndsförändring genom inkommande strålning. Men för att mäta förändringar i ström eller motstånd krävs en extern strömkälla för att generera en initial ström. Mekanismen är mycket enklare än i andra bolometrar, enligt Skoblin.

Biten grafen i den nya bolometern är liten, så det är en av de snabbaste bolometrarna eftersom den värms upp och svarar snabbt. Vidare, enheten förblir känslig för strålning vid temperaturer upp till 200 grader Celsius. Konventionella bolometrar fungerar vanligtvis endast vid kryogena temperaturer.

Andra forskare har tidigare gjort grafenbolometrar, med bättre egenskaper än den här nya enheten, men dessa modeller innehåller ett dubbelt lager av grafen, gör dem svårare att skala, Sa Skoblin.

En annan fördel med den nya enheten är dess beläggning. Forskarna har tidigare utvecklat en metod för att belägga grafen med en dielektrisk polymer som kallas Parylene, som erbjuder en bra balans mellan prestanda och skalbarhet. Du kan få bättre prestanda genom att belägga med sexkantig bornitrid, Skoblin sa, men det är svårt att skaffa sig och beläggningsteknikerna är svåra att skala upp. Andra studier tyder på att en bolometer med sexkantig bornitridbeläggning skulle vara mindre effektiv.

Prototypen bolometer fungerar endast med mikrovågsstrålning vid 94 gigahertz, men framtida konstruktioner kommer att utöka frekvensområdet. Nästa, forskarna planerar att göra enheten med kemisk ångavsättning för att odla större bitar av grafen, banar väg för massproduktion.