Ett team av forskare har utvecklat en enhet som använder materialet grafen för att detektera mellaninfrarött ljus och effektivt omvandla det till elektrisk signal vid rumstemperatur. Det är ett genombrott som kan leda till bättre kommunikationssystem, värmekamera och annan teknik.
Publicerad i Naturmaterial , studien är ett samarbete mellan laboratorierna i Fengnian Xia, Barton L. Weller docent i teknik och vetenskap och F. Javier Garcia de Abajo från Institute of Photonic Sciences (ICFO), Spanien.
Mellaninfraröd strålning på 8 till 14 mikrometer är extremt användbar vid värmeavbildning och avslöjar molekylärspecifik spektroskopisk information. Dessutom, sådan strålning kan spridas i luften utan betydande förlust, vilket indikerar dess enorma potential inom fritt rymdkommunikation och fjärranalys. Dock, konventionella rumstemperatur mellaninfraröda infraröda detektorer är vanligtvis mycket långsamma på grund av den stora termiska kapaciteten, leder till en lång tidskonstant för värmeavledning.
Den enhet som demonstreras i denna studie drar fördel av de unika egenskaperna hos den mycket ledande, atomärt tunn grafen, som är ett enda lager av kolatomer, och dess plasmon - ett kvantum av dess kollektiva elektronsvängningar.
"Grafen är ett slags material som kan omvandla mellaninfrarött ljus till plasmoner och sedan kan plasmonerna omvandlas till värme, " sa Qiushi Guo, en Ph.D. student i Xias labb och första författare till studien. "Det som verkligen är unikt med grafen är att elektrontemperaturökningen orsakad av plasmonsönderfall är mycket högre än för andra material."
Grafens motstånd är mycket okänsligt för temperatur vid rumstemperatur, som ett resultat, det är svårt att elektriskt detektera mellaninfrarött ljus förutom vid extremt kalla temperaturer, vilket innebär att den inte kan integreras i användbara enheter. För detta ändamål, i detta arbete utvecklade forskarna en ny enhet som har grafenskivor plasmoniska resonatorer sammankopplade med kvasi-endimensionella nanoband. Den kan effektivt upptäcka det mellaninfraröda ljuset vid rumstemperatur.
"Vår enhet har artificiella nanostrukturer som omvandlar ljus till plasmoner, och därefter till elektronisk värme, Guo sa. "Dess motstånd är också mycket känsligt för temperaturökningen. Till skillnad från det i grafenark, i smala grafen nanorband, elektrontransport beror starkt på elektronens termiska energi."
Vad mer, Guo sa, är att enheten reagerar mycket snabbt på den mellaninfraröda strålningen. "Befintliga termiska sensorer för rumstemperatur har i allmänhet en stor värmekapacitet och väldesignade värmeisoleringsstrukturer. De tar vanligtvis millisekunder att värmas upp. Men för grafen, det kan vara supersnabbt – en nanosekund, eller bara 1 miljarddels sekund." Detta gör grafendetektorn mycket lämplig för höghastighetskommunikationstillämpningar för fritt utrymme i mellaninfrarött, vilket är utom räckhåll för konventionella mikrobolometrar som arbetar vid rumstemperatur.
Enheten är enkel och skalbar. Anmärkningsvärt, enhetens fotavtryck kan vara ännu mindre än ljusets våglängd. "Det erbjuder många nya möjligheter inom mellaninfraröd fotonik, " sa Xia. "Att bygga en högupplöst mellaninfraröd kamera med subvåglängdspixlar, till exempel, eller att integreras på fotoniska integrerade kretsar för att möjliggöra mellaninfraröda spektrometrar på ett enda chip."
