Onderzoekers van het Graphene Flagship hebben een nieuwe op grafeen gebaseerde infrarood (IR) detector ontwikkeld die een recordhoge gevoeligheid voor thermische detectie aantoont. De unieke eigenschappen van Graphene maken de weg vrij voor hoogwaardige IR-beeldvorming en spectroscopie.

De voordelen van grafeen zijn nieuwe mogelijkheden voor hoogwaardige IR-beeldvorming en spectroscopie. Onderzoekers van het Graphene Flagship, werkzaam aan de Universiteit van Cambridge (VK), Emberion Ltd. (VK), het Instituut voor Fotonische Wetenschappen (ICFO; Spanje), Nokia VK, en de Universiteit van Ioannina (Griekenland) hebben een op grafeen gebaseerde pyro-elektrische bolometer ontwikkeld die infrarode (IR) straling detecteert door kleine temperatuurveranderingen te meten met een ultrahoge nauwkeurigheid. Het werk, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , demonstreert de hoogste gerapporteerde temperatuurgevoeligheid voor op grafeen gebaseerde ongekoelde thermische detectoren, in staat om temperatuurveranderingen tot enkele tientallen µK op te lossen. Er is slechts een paar nanowatt IR-stralingsvermogen nodig om zo'n kleine temperatuurvariatie in geïsoleerde apparaten te produceren, ongeveer 1000 keer kleiner dan het IR-vermogen dat door een menselijke hand in de buurt aan de detector wordt geleverd.

De hoge gevoeligheid van de detector is van groot nut voor spectroscopische toepassingen die verder gaan dan thermische beeldvorming. Met een krachtige op grafeen gebaseerde IR-detector die een sterk signaal geeft met minder invallende straling, het is mogelijk om verschillende delen van het IR-spectrum te isoleren. Dit is van cruciaal belang bij beveiligingstoepassingen, waar verschillende materialen – zoals explosieven – kunnen worden onderscheiden door hun karakteristieke IR-absorptie- of transmissiespectra.

Dr Alan Colli, Principal Engineer bij Emberion en co-leider van het onderzoek, zei:"Met een hogere gevoeligheidsdetector, men kan de grote thermische band beperken en toch een beeld vormen met behulp van fotonen in een zeer smal spectraal bereik en multi-spectrale IR-beeldvorming doen. Voor veiligheidsonderzoeken, er zijn specifieke kenmerken die materialen in smalle banden uitzenden of absorberen. Dus, je wilt een detector die in die smalle band is getraind. Dit kan handig zijn bij het zoeken naar explosieven, gevaarlijke stoffen, of iets dergelijks."

Typische IR-fotodetectoren werken ofwel via het pyro-elektrische effect, of als bolometers, die veranderingen in weerstand als gevolg van verwarming meten. De op grafeen gebaseerde pyro-elektrische bolometer combineert beide benaderingen met de uitstekende elektrische eigenschappen van grafeen, voor maximale prestaties. Grafeen fungeert als ingebouwde versterker voor het signaal, het elimineren van de noodzaak voor externe transistors - wat betekent dat er geen verliezen zijn door parasitaire capaciteit, en opmerkelijk geluidsarm. De hoge geleidbaarheid van grafeen biedt ook een handige impedantie-aanpassing met de externe uitlees-geïntegreerde schakeling (ROIC) die wordt gebruikt om te communiceren met de detectorpixels en het opnameapparaat. Met de continue verbetering van de kwaliteit van grafeen (bijv. hogere mobiliteit), robuuste apparaten met een uitgebreid dynamisch bereik (temperatuurbereik waarover het apparaat betrouwbaar zal werken) kunnen worden gefabriceerd met behoud van dezelfde uitstekende temperatuurresponsiviteit.

Prof. Andrea Ferrari, Directeur van het Cambridge Graphene Center en co-auteur van het werk zei:"Dit werk is een ander voorbeeld van de gestage opmars van grafeen op de routekaart naar toepassingen. Emberion is een nieuw bedrijf dat is opgericht om grafeenfotonica en -elektronica te produceren voor infraroodfotodetectoren en thermische sensoren , en dit werk illustreert hoe fundamentele wetenschap en technologie kunnen leiden tot snelle commercialisering." Ferrari is de Science and Technology Officer van het Graphene Flagship, en voorzitter van het vlaggenschipmanagementpanel.

Prof. Frank Koppens, co-auteur van het werk, is leider van de Quantum Nano-Optoelectronics bij ICFO, en leidt het werkpakket Fotonica en Opto-elektronica van het Graphene Flagship. "Een van de meest veelbelovende toepassingen van grafeen is breedbandfotodetectie en -beeldvorming. Het combineren van zichtbare en infrarooddetectie in één materiaalsysteem is niet mogelijk met een andere bestaande technologie. Het Graphene Flagship-programma zal voortbouwen op dit werk om hyperspectrale beeldvormingssystemen te ontwikkelen, en het benutten van de richtingen waar grafeen uniek is, " hij zei.

Dr. Daniel Neumaier (AMO, Duitsland) is de leider van de Graphene Flagship Electronics and Photonics Integration Division en was niet direct betrokken bij het werk. Hij zei:"De marktomvang van IR-detectoren is de afgelopen jaren enorm toegenomen en deze apparaten betreden steeds meer toepassingsgebieden. spectroscopisch veiligheidsonderzoek wordt steeds belangrijker. Dit vereist een hoge gevoeligheid bij gebruik op kamertemperatuur. Het huidige werk is een enorme stap voorwaarts om aan deze vereisten te voldoen in op grafeen gebaseerde IR-detectoren."