Den första ljusdetektorn för rumstemperatur som kan känna av hela det infraröda spektrumet har potential att sätta värmesynsteknik i en kontaktlins.

Till skillnad från jämförbara medel- och fjärrinfraröda detektorer som för närvarande finns på marknaden, detektorn som utvecklats av tekniska forskare vid University of Michigan behöver inte skrymmande kylutrustning för att fungera.

"Vi kan göra hela designen supertunn, " sa Zhaohui Zhong, biträdande professor i elektroteknik och datavetenskap. "Den kan staplas på en kontaktlins eller integreras med en mobiltelefon."

Infrarött ljus börjar vid våglängder som är precis längre än de för synligt rött ljus och sträcker sig till våglängder upp till en millimeter långa. Infraröd syn kan vara mest känd för att upptäcka människor och djur i mörkret och värmeläckor i hus, men det kan också hjälpa läkare att övervaka blodflödet, identifiera kemikalier i miljön och låta konsthistoriker se Paul Gauguins skisser under färglager.

Till skillnad från det synliga spektrumet, vilka konventionella kameror fångar med ett enda chip, infraröd avbildning kräver en kombination av tekniker för att se nära-, mellan- och fjärrinfraröd strålning på en gång. Ännu mer utmanande, de mellaninfraröda och fjärrinfraröda sensorerna behöver vanligtvis ha mycket kalla temperaturer.

grafen, ett enda lager av kolatomer, kunde känna av hela det infraröda spektrumet – plus synligt och ultraviolett ljus. Men tills nu, den har inte fungerat för infraröd detektering eftersom den inte kan fånga tillräckligt med ljus för att generera en detekterbar elektrisk signal. Med en atoms tjocklek, den absorberar bara cirka 2,3 procent av ljuset som träffar den. Om ljuset inte kan producera en elektrisk signal, grafen kan inte användas som sensor.

"Utmaningen för den nuvarande generationen av grafenbaserade detektorer är att deras känslighet vanligtvis är mycket dålig, " sade Zhong. "Det är hundra till tusen gånger lägre än vad en kommersiell enhet skulle kräva."

För att övervinna det hindret, Zhong och Ted Norris, Gerard A. Mourou professor i elektroteknik och datavetenskap, arbetat med doktorander för att designa ett nytt sätt att generera den elektriska signalen. Istället för att direkt mäta elektronerna som frigörs när ljus träffar grafenet, de förstärkte signalen genom att istället titta på hur de ljusinducerade elektriska laddningarna i grafenet påverkar en närliggande ström.

"Vårt arbete banade väg för ett nytt sätt att upptäcka ljus, ", sa Zhong. "Vi föreställer oss att människor kommer att kunna använda samma mekanism i andra material- och enhetsplattformar."

För att göra enheten, de lägger ett isolerande barriärskikt mellan två grafenark. Det undre lagret hade en ström genom sig. När ljus träffar det översta lagret, det frigjorde elektroner, skapar positivt laddade hål. Sedan, elektronerna använde ett kvantmekaniskt knep för att glida genom barriären och in i det undre lagret av grafen.

De positivt laddade hålen, kvar i det översta lagret, producerade ett elektriskt fält som påverkade flödet av el genom bottenskiktet. Genom att mäta förändringen i ström, teamet kunde härleda ljusstyrkan på ljuset som träffade grafenet. Det nya tillvägagångssättet gjorde det möjligt för känsligheten hos en grafenenhet med rumstemperatur att konkurrera med kylda mellaninfraröda detektorer för första gången.

Enheten är redan mindre än en pinky nagel och kan lätt skalas ner. Zhong föreslår arrayer av dem som infraröda kameror.

"Om vi ​​integrerar den med en kontaktlins eller annan bärbar elektronik, det utökar din vision, ", sa Zhong. "Det ger dig ett annat sätt att interagera med din omgivning."

Medan fullspektrum infraröd detektering sannolikt kommer att användas inom militär och vetenskaplig teknik, frågan för den allmänna teknikmarknaden kan snart vara, "Vill vi se i infrarött?"

Enheten beskrivs i en artikel med titeln "Graphene fotodetektorer med ultrabredband och hög känslighet vid rumstemperatur, " som visas online i Naturens nanoteknik .