Grafeen is een opmerkelijk materiaal:licht, sterk, transparant en elektrisch geleidend. Het kan ook warmte omzetten in elektriciteit. Onderzoekers hebben onlangs deze thermo-elektrische eigenschap benut om een ​​nieuw soort stralingsdetector te maken.

Geclassificeerd als een bolometer, het nieuwe apparaat heeft een snelle responstijd en, in tegenstelling tot de meeste andere bolometers, werkt over een breed temperatuurbereik. Met een eenvoudig ontwerp en relatief lage kosten, dit apparaat kan worden opgeschaald, waardoor een breed scala aan commerciële toepassingen mogelijk is. Onderzoekers beschrijven deze week een op grafeen gebaseerde stralingsdetector Technische Natuurkunde Brieven , van AIP Publishing.

De ontdekking van grafeen in 2004 zou naar verwachting een heel nieuw type technologie inluiden. "Maar helaas, er zijn enkele sterke fundamentele beperkingen voor dit materiaal, " zei Grigory Skoblin van de Chalmers University of Technology in Zweden. "Tegenwoordig de echte industriële toepassingen van grafeen zijn vrij beperkt."

Grafeen - samengesteld uit losse vellen koolstofatomen die een platte, hexagonale roosterstructuur - is voornamelijk gebruikt vanwege zijn mechanische eigenschappen.

"Maar ons apparaat laat zien dat meer fundamentele eigenschappen kunnen worden gebruikt in daadwerkelijke toepassingen, " zei Skoblin. De nieuwe bolometer is gebaseerd op de thermo-elektrische eigenschappen van grafeen. Straling verwarmt een deel van het apparaat, waardoor elektronen bewegen. De verplaatste elektronen wekken een elektrisch veld op, waardoor een spanningsverschil over het apparaat ontstaat. De verandering in spanning verschaft dus een in wezen directe meting van de straling.

Andere apparaten zijn afhankelijk van de opwekking van elektrische stroom of weerstandsverandering door inkomende straling. Maar het meten van veranderingen in stroom of weerstand vereist een externe stroombron om een ​​initiële stroom te genereren. Het mechanisme is veel eenvoudiger dan bij andere bolometers, volgens Skoblin.

Het stukje grafeen in de nieuwe bolometer is klein, het is dus een van de snelste bolometers omdat hij opwarmt en snel reageert. Verder, het apparaat blijft gevoelig voor straling bij temperaturen tot 200 graden Celsius. Conventionele bolometers werken doorgaans alleen bij cryogene temperaturen.

Andere onderzoekers hebben eerder grafeenbolometers gemaakt, met betere eigenschappen dan dit nieuwe apparaat, maar deze modellen bevatten een dubbele laag grafeen, waardoor ze moeilijker te schalen zijn, zei Skoblin.

Een ander voordeel van het nieuwe apparaat is de coating. De onderzoekers ontwikkelden eerder een methode om grafeen te coaten met een diëlektrisch polymeer genaamd Parylene, die een goede balans biedt tussen prestaties en schaalbaarheid. U kunt betere prestaties krijgen door te coaten met hexagonaal boornitride, Skoblin zei, maar het is moeilijk te verwerven en de coatingtechnieken zijn moeilijk op te schalen. Andere studies suggereren dat een bolometer met zeshoekige boornitride-coating minder efficiënt zou zijn.

De prototype bolometer werkt alleen met microgolfstraling van 94 gigahertz, maar toekomstige ontwerpen zullen het frequentiebereik verbreden. Volgende, de onderzoekers zijn van plan om het apparaat te maken met behulp van chemische dampafzetting om grotere stukken grafeen te laten groeien, de weg vrijmaakt voor massaproductie.