Med hjälp av grafen, ett av vetenskapens mest mångsidiga material, ingenjörer från UCLA Samueli School of Engineering har uppfunnit en ny typ av fotodetektor som kan fungera med fler typer av ljus än dess nuvarande toppmoderna motsvarigheter. Enheten har också överlägsna avkännings- och avbildningsmöjligheter.

Fotodetektorer är ljussensorer; i kameror och andra bildanordningar, de känner av mönster av elementära partiklar som kallas fotoner, och skapa bilder från dessa mönster. Olika fotodetektorer är byggda för att känna av olika delar av ljusspektrumet. Till exempel, fotodetektorer används i mörkerseende för att avkänna termisk strålning som är osynlig för blotta ögat. Andra används i kameror som identifierar kemikalier i miljön genom hur de reflekterar ljus.

Hur mångsidiga och användbara fotodetektorer är beror till stor del på tre faktorer:deras hastighet, deras känslighet för lägre ljusnivåer, och hur mycket av spektrumet de kan känna. Vanligtvis, när ingenjörer har förbättrat en fotodetektors kapacitet inom något av dessa områden, åtminstone en av de två andra funktionerna har minskat.

Fotodetektorn som designats av UCLA -teamet har stora förbättringar inom alla tre områden - den fungerar över ett brett spektrum av ljus, bearbetar bilder snabbare och är mer känslig för låga ljusnivåer än nuvarande teknik.

"Vår fotodetektor kan utöka omfattningen och den potentiella användningen av fotodetektorer i bild- och avkänningssystem, "sa Mona Jarrahi, professor i el- och datateknik, som ledde studien. "Det kan dramatiskt förbättra värmeavbildning vid mörkerseende eller i medicinska diagnosapplikationer där subtila temperaturskillnader kan ge läkare mycket information om sina patienter. Det kan också användas i miljöavkänningsteknologi för att mer exakt identifiera koncentrationen av föroreningar."

Studien publicerades i tidskriften Ljus:Vetenskap och tillämpningar .

Den nya fotodetektorn drar fördel av grafens unika egenskaper, ett supertunt material som består av ett enda lager kolatomer. Grafen är ett utmärkt material för att detektera fotoner eftersom det kan absorbera energi från ett brett område av det elektromagnetiska spektrumet - från ultraviolett ljus till synligt ljus till det infraröda och mikrovågsbandet. Grafen är också en mycket bra ledare för elektrisk ström - elektroner kan strömma igenom den utan hinder.

För att bilda fotodetektorn, forskarna lade remsor av grafen över ett kiseldioxidskikt, som i sig täcker en bas av kisel. Sedan, de skapade en serie kamliknande nanoskala mönster, gjord av guld, med "tänder" cirka 100 nanometer breda.

Grafenen fungerar som ett nät för att fånga inkommande fotoner och sedan omvandla dem till en elektrisk signal. De guldkammformade nanopatronerna överför snabbt den informationen till en processor, som i sin tur ger en motsvarande högkvalitativ bild, även under svagt ljus.

"Vi utformade specifikt måtten på grafen -nanostriberna och deras metallplåster så att inkommande synligt och infrarött ljus är tätt begränsat inuti dem, "sade Semih Cakmakyapan, en postdoktor vid UCLA och huvudförfattare till studien. "Denna design ger effektivt en elektrisk signal som följer ultrasnabba och subtila variationer i ljusets intensitet över hela spektralområdet, från synligt till infrarött. "