Camera's die zijn uitgerust met een nieuwe revolutionaire sensor zullen binnenkort heldere en scherpe foto's kunnen maken in donkere omstandigheden, dankzij een nieuwe beeldsensor uitgevonden aan de Nanyang Technological University (NTU).

De nieuwe sensor gemaakt van grafeen, wordt verondersteld de eerste te zijn die breedspectrumlicht kan detecteren, van het zichtbare tot het midden-infrarood, met een hoge fotorespons of gevoeligheid. Dit betekent dat het geschikt is voor gebruik in alle soorten camera's, inclusief infraroodcamera's, verkeerssnelheidscamera's, satellietbeelden en meer.

Niet alleen is de grafeensensor 1, 000 keer gevoeliger voor licht dan de huidige beeldsensoren in de huidige camera's, het gebruikt ook 10 keer minder energie omdat het op lagere spanningen werkt. Bij massaproductie, grafeensensoren kosten naar schatting minstens vijf keer goedkoper.

Grafeen is slechts één atoom dik en is gemaakt van zuivere koolstofatomen die in een honingraatstructuur zijn gerangschikt. Het is bekend dat het een hoge elektrische geleidbaarheid heeft, naast andere eigenschappen zoals duurzaamheid en flexibiliteit.

De uitvinder van de grafeensensor, Universitair docent Wang Qijie, van NTU's School of Electrical &Electronic Engineering, zei dat het de eerste keer is dat een breedspectrum, hoge lichtgevoelige sensor is ontwikkeld met behulp van puur grafeen.

Zijn doorbraak, gemaakt door een grafeenvel te fabriceren tot nieuwe nanostructuren, werd deze maand gepubliceerd in Natuurcommunicatie , een hoog aangeschreven onderzoekstijdschrift.

"We hebben laten zien dat het nu mogelijk is om goedkope, gevoelige en flexibele fotosensoren van alleen grafeen. We verwachten dat onze innovatie niet alleen een grote impact zal hebben op de consumentenmarkt, maar ook in de satellietbeeld- en communicatie-industrieën, evenals de mid-infrarood toepassingen, " zei Asst Prof Wang, die ook een gezamenlijke aanstelling heeft in NTU's School of Physical and Mathematical Sciences.

"Tijdens het ontwerpen van deze sensor, we hebben de huidige productiepraktijken in gedachten gehouden. Dit betekent dat de industrie in principe camerasensoren kan blijven produceren met behulp van het CMOS-proces (complementary metal-oxide-halfgeleider), dat is de heersende technologie die wordt gebruikt door de meeste fabrieken in de elektronica-industrie. Daarom kunnen fabrikanten het huidige basismateriaal van fotosensoren gemakkelijk vervangen door ons nieuwe nanogestructureerde grafeenmateriaal."

Indien aangenomen door de industrie, Asst Prof Wang verwacht dat de productiekosten voor beeldsensoren zullen dalen, wat uiteindelijk zal leiden tot goedkopere camera's met een langere batterijduur.

Hoe de grafeen-nanostructuur werkt

Asst Prof. Wang kwam met een innovatief idee om nanostructuren op grafeen te creëren die door licht gegenereerde elektronendeeltjes voor een veel langere tijd zullen "vangen", wat resulteert in een veel sterker elektrisch signaal. Dergelijke elektrische signalen kunnen vervolgens worden verwerkt tot een beeld, zoals een foto die is gemaakt met een digitale camera.

De "gevangen elektronen" zijn de sleutel tot het bereiken van een hoge fotorespons in grafeen, waardoor het veel effectiever is dan de normale CMOS- of CCD-beeldsensoren (charge-coupled device), zei Asst Prof Wang. Eigenlijk, hoe sterker de gegenereerde elektrische signalen, hoe duidelijker en scherper de foto's.

"De prestaties van onze grafeensensor kunnen verder worden verbeterd, zoals de reactiesnelheid, door nanostructuur-engineering van grafeen, en voorlopige resultaten bevestigden al de haalbaarheid van ons concept, "Asst Prof Wang toegevoegd.

Dit onderzoek, kost ongeveer $ 200, 000, wordt gefinancierd door de Nanyang Assistant Professorship start-up grant en gedeeltelijk ondersteund door het Ministerie van Onderwijs Tier 2 en 3 onderzoeksbeurzen.

De ontwikkeling van deze sensor nam Asst Prof Wang in totaal 2 jaar in beslag. Zijn team bestond uit twee research fellows, Dr. Zhang Yongzhe en Dr. Li Xiaohui, en vier promovendi Liu Tao, Meng Bo, Liang Guozhen en Hu Xiaonan, van EEE, NTU. Bij dit baanbrekende werk waren ook twee bachelorstudenten betrokken.

Asst Prof Wang heeft een patent aangevraagd via NTU's Nanyang Innovation and Enterprise Office voor zijn uitvinding.

De volgende stap is om samen te werken met industriële partners om de grafeensensor te ontwikkelen tot een commercieel product.