Forskare från Graphene Flagship har utvecklat en ny grafenbaserad infraröd (IR) detektor som visar rekordhög känslighet för termisk detektion. Graphenes unika egenskaper banar väg för högpresterande IR-avbildning och spektroskopi.

Fördelarna med Graphene är öppna möjligheter inom högpresterande IR-avbildning och spektroskopi. Forskare från Graphene Flagship, arbetar vid University of Cambridge (UK), Emberion Ltd. (Storbritannien), Institutet för fotoniska vetenskaper (ICFO, Spanien), Nokia Storbritannien, och University of Ioannina (Grekland) har utvecklat en grafenbaserad pyroelektrisk bolometer som detekterar infraröd (IR) strålning genom att mäta små temperaturförändringar med en extremt hög noggrannhetsnivå. Arbetet, publiceras i Naturkommunikation , visar den högsta rapporterade temperaturkänsligheten för grafenbaserade okylda termiska detektorer, kan lösa temperaturförändringar ner till några tiotals µK. Endast ett fåtal nano-watt IR-strålningseffekt krävs för att producera en så liten temperaturvariation i isolerade enheter, cirka 1000 gånger mindre än IR-effekten som levereras till detektorn av en mänsklig hand i närheten.

Detektorns höga känslighet är till stor nytta för spektroskopiska tillämpningar utöver värmeavbildning. Med en högpresterande grafenbaserad IR-detektor som ger en stark signal med mindre infallande strålning, det är möjligt att isolera olika delar av IR-spektrumet. Detta är av avgörande betydelse i säkerhetsapplikationer, där olika material – som sprängämnen – kan särskiljas genom sina karakteristiska IR-absorptions- eller transmissionsspektra.

Dr Alan Colli, Chefsingenjör på Emberion och medledare för forskningen, sa:"Med en detektor med högre känslighet, man kan begränsa det stora termiska bandet och fortfarande bilda en bild med hjälp av fotoner i ett mycket smalt spektralområde och göra multispektral IR-avbildning. För säkerhetskontroll, det finns specifika signaturer som material avger eller absorberar i smala band. Så, du vill ha en detektor som är tränad i det där smala bandet. Detta kan vara användbart när du letar efter sprängämnen, farliga ämnen, eller något sådant."

Typiska IR-fotodetektorer fungerar antingen via den pyroelektriska effekten, eller som bolometrar, som mäter förändringar i motstånd på grund av uppvärmning. Den grafenbaserade pyroelektriska bolometern kombinerar båda metoderna med de utmärkta elektriska egenskaperna hos grafen, för maximal prestanda. Grafen fungerar som en inbyggd förstärkare för signalen, tar bort behovet av externa transistorer – vilket betyder inga förluster från parasitisk kapacitans, och anmärkningsvärt lågt ljud. Den höga konduktiviteten hos grafen erbjuder också en bekväm impedansmatchning med den externa avläsningsintegrerade kretsen (ROIC) som används för att samverka med detektorpixlarna och inspelningsenheten. Med den kontinuerliga förbättringen av kvaliteten på grafen (t.ex. högre rörlighet), robusta enheter med ett utökat dynamiskt område (temperaturområde över vilket enheten kommer att fungera tillförlitligt) kan tillverkas samtidigt som samma utmärkta temperaturkänslighet bibehålls.

Prof. Andrea Ferrari, Direktör för Cambridge Graphene Center och medförfattare till arbetet sa:"Detta arbete är ytterligare ett exempel på grafenens stadiga frammarsch mot applikationer. Emberion är ett nytt företag skapat för att producera grafenfotonik och elektronik för infraröda fotodetektorer och termiska sensorer , och det här arbetet exemplifierar hur grundläggande vetenskap och teknik kan leda till snabb kommersialisering." Ferrari är vetenskaps- och teknikansvarig för Graphene Flagship, och ordförande för flaggskeppsledningspanelen.

Prof. Frank Koppens, medförfattare till verket, är ledare för Quantum Nano-Optoelectronics vid ICFO, och leder arbetspaketet fotonik och optoelektronik för flaggskeppet Graphene. "En av de mest lovande tillämpningarna av grafen är bredbandsfotodetektion och bildåtergivning. Att kombinera synlig och infraröd detektering i ett materialsystem är inte möjligt med någon annan befintlig teknik. Graphene Flagship-programmet kommer att bygga vidare på detta arbete för att utveckla hyperspektrala bildsystem, och utnyttja riktningarna där grafen är unikt, " han sa.

Dr Daniel Neumaier (AMO, Tyskland) är ledare för Graphene Flagship Electronics and Photonics Integration Division och var inte direkt involverad i arbetet. Han sa:"Marknadsstorleken för IR-detektorer har ökat dramatiskt under de senaste åren och dessa enheter kommer in i fler och fler applikationsområden. I synnerhet, spektroskopisk säkerhetskontroll blir allt viktigare. Detta kräver hög känslighet vid rumstemperaturdrift. Det nuvarande arbetet är ett stort steg framåt för att uppfylla dessa krav i grafenbaserade IR-detektorer."