(Phys.org) - Forskare vid Center for Nanophysics and Advanced Materials vid University of Maryland har utvecklat en ny typ av varm elektronbolometer en känslig detektor av infrarött ljus, som kan användas i ett stort antal applikationer från detektering av kemiska och biokemiska vapen på avstånd och användning i säkerhetsteknik, till exempel flygplatskannrar, till kemisk analys i laboratoriet och studera universums struktur genom förbättrade teleskop.

UMD -forskarna, ledd av forskarassistenten Jun Yan och professorerna Michael Fuhrer och Dennis Drew, utvecklade bolometern med tvålagers grafen-två kolfiberark i atomtjocklek. På grund av grafens unika egenskaper, Bolometern förväntas vara känslig för ett mycket brett spektrum av ljusenergier, allt från terahertz -frekvenser eller submillimetervågor genom infrarött till synligt ljus.

Den grafen heta elektronbolometern är särskilt lovande som en snabb, känslig, och ljudlös detektor för submillimetervågor, som är särskilt svåra att upptäcka. Eftersom dessa fotoner avges av relativt svala interstellära molekyler, submillimeter astronomi studerar de tidiga stadierna av bildandet av stjärnor och galaxer genom att observera dessa interstellära moln av molekyler. Känsliga detektorer av submillimetervågor söks efter nya observatorier som kommer att bestämma röda skiftningar och massor av mycket avlägsna unga galaxer och möjliggöra studier av mörk energi och utveckling av struktur i universum.

Maryland -teamets resultat publiceras i 3 juni -numret av Naturnanoteknik .

De flesta fotondetektorer är baserade på halvledare. Halvledare är material som har en rad energier som deras elektroner är förbjudna att uppta, kallas bandgap. Elektronerna i en halvledare kan absorbera fotoner av ljus med energier som är större än bandgap -energin, och denna egenskap utgör grunden för enheter såsom solceller.

Grafen, ett enda atomtjockt plan av grafit, är unik eftersom den har en bandgap på exakt noll energi; grafen kan därför absorbera fotoner av vilken energi som helst. Denna egenskap gör grafen särskilt attraktiv för att absorbera fotoner med mycket låg energi (terahertz och infrarött) som passerar genom de flesta halvledare. Grafen har en annan attraktiv egenskap som en fotonabsorberare:elektronerna som absorberar energin kan behålla den effektivt, snarare än att tappa energi till vibrationer i materialets atomer. Samma egenskap leder också till extremt lågt elektrisk motstånd i grafen.

University of Maryland forskare utnyttjade dessa två egenskaper för att utforma den heta elektronbolometern. Det fungerar genom att mäta förändringen i motståndet som uppstår genom upphettning av elektronerna när de absorberar ljus.

I vanliga fall, grafens motstånd är nästan oberoende av temperatur, olämplig för en bolometer. Så forskarna i Maryland använde ett speciellt trick:när tvålagers grafen exponeras för ett elektriskt fält har det ett litet bandgap, tillräckligt stor för att dess motstånd blir starkt temperaturberoende, men tillräckligt liten för att behålla sin förmåga att absorbera infraröda fotoner med låg energi.

Forskarna fann att deras tvålagers grafen heta elektronbolometer som arbetade vid en temperatur på 5 Kelvin hade jämförbar känslighet för befintliga bolometrar som arbetar vid liknande temperaturer, men var mer än tusen gånger snabbare. De extrapolerade grafenbolometerns prestanda till lägre temperatur och fann att den kan slå all befintlig teknik.

Vissa utmaningar återstår. Den tvåskiktiga grafenbolometern har ett högre elektriskt motstånd än liknande enheter som använder andra material som kan göra det svårt att använda vid höga frekvenser. Dessutom, tvålagers grafen absorberar bara några procent av infallande ljus. Men forskarna i Maryland arbetar med sätt att komma runt dessa svårigheter med nya enhetsdesigner, och är övertygade om att en grafen har en ljus framtid som fotodetekterande material.