(Phys.org) -- Onderzoekers van het Center for Nanophysics and Advanced Materials van de Universiteit van Maryland hebben een nieuw type hete-elektronenbolometer ontwikkeld, een gevoelige detector van infrarood licht. dat kan worden gebruikt in een enorm scala aan toepassingen, van detectie van chemische en biochemische wapens op afstand en gebruik in beveiligingsbeeldvormingstechnologieën zoals bodyscanners op luchthavens, tot chemische analyse in het laboratorium en het bestuderen van de structuur van het heelal door verbeterde telescopen.

De UMD-onderzoekers, onder leiding van onderzoeksmedewerker Jun Yan en professoren Michael Fuhrer en Dennis Drew, ontwikkelde de bolometer met behulp van dubbellaags grafeen - twee atoomdikteplaten van koolstof. Door de unieke eigenschappen van grafeen, de bolometer zal naar verwachting gevoelig zijn voor een zeer breed scala aan lichtenergieën, variërend van terahertz-frequenties of submillimetergolven via het infrarood tot zichtbaar licht.

De grafeen hete elektronenbolometer is vooral veelbelovend als een snelle, gevoelig, en geluidsarme detector van submillimetergolven, die bijzonder moeilijk te detecteren zijn. Omdat deze fotonen worden uitgezonden door relatief koele interstellaire moleculen, submillimeterastronomie bestudeert de vroege stadia van de vorming van sterren en sterrenstelsels door deze interstellaire wolken van moleculen te observeren. Er wordt gezocht naar gevoelige detectoren van submillimetergolven voor nieuwe observatoria die de roodverschuiving en massa's van zeer verre jonge sterrenstelsels zullen bepalen en studies van donkere energie en de ontwikkeling van structuur in het heelal mogelijk zullen maken.

De bevindingen van het Maryland-team zijn gepubliceerd in het nummer van 3 juni van: Natuur Nanotechnologie .

De meeste fotondetectoren zijn gebaseerd op halfgeleiders. Halfgeleiders zijn materialen die een reeks energieën hebben die hun elektronen niet mogen bezetten, bandgap genoemd. De elektronen in een halfgeleider kunnen fotonen van licht absorberen met energieën die groter zijn dan de bandgap-energie, en deze eigenschap vormt de basis van apparaten zoals fotovoltaïsche cellen.

grafeen, een enkel atoomdik vlak van grafiet, is uniek omdat het een bandgap heeft van precies nul energie; grafeen kan daarom fotonen van elke energie absorberen. Deze eigenschap maakt grafeen bijzonder aantrekkelijk voor het absorberen van fotonen met zeer lage energie (terahertz en infrarood) die door de meeste halfgeleiders gaan. Grafeen heeft nog een aantrekkelijke eigenschap als fotonenabsorbeerder:de elektronen die de energie absorberen, kunnen deze efficiënt vasthouden, in plaats van energie te verliezen aan trillingen van de atomen van het materiaal. Deze zelfde eigenschap leidt ook tot een extreem lage elektrische weerstand in grafeen.

Onderzoekers van de Universiteit van Maryland gebruikten deze twee eigenschappen om de hete-elektronenbolometer te ontwerpen. Het werkt door de verandering in de weerstand te meten die het gevolg is van de verwarming van de elektronen terwijl ze licht absorberen.

Normaal gesproken, de weerstand van grafeen is bijna onafhankelijk van de temperatuur, niet geschikt voor een bolometer. Dus de onderzoekers van Maryland gebruikten een speciale truc:wanneer dubbellaags grafeen wordt blootgesteld aan een elektrisch veld, heeft het een kleine bandafstand, groot genoeg dat de weerstand sterk temperatuurafhankelijk wordt, maar klein genoeg om zijn vermogen om laag-energetische infraroodfotonen te absorberen te behouden.

De onderzoekers ontdekten dat hun dubbellaagse grafeen-hete-elektronenbolometer die bij een temperatuur van 5 Kelvin werkte, vergelijkbare gevoeligheid had als bestaande bolometers die bij vergelijkbare temperaturen werkten. maar was meer dan duizend keer sneller. Ze extrapoleerden de prestaties van de grafeenbolometer naar een lagere temperatuur en ontdekten dat deze alle bestaande technologieën zou kunnen verslaan.

Er blijven enkele uitdagingen over. De dubbellaagse grafeenbolometer heeft een hogere elektrische weerstand dan vergelijkbare apparaten die andere materialen gebruiken, waardoor het moeilijk kan zijn om bij hoge frequenties te gebruiken. Aanvullend, dubbellaags grafeen absorbeert slechts een paar procent van het invallende licht. Maar de onderzoekers van Maryland werken aan manieren om deze problemen te omzeilen met nieuwe apparaatontwerpen, en zijn ervan overtuigd dat grafeen een mooie toekomst heeft als fotodetecterend materiaal.