Met behulp van grafeen, een van de meest veelzijdige materialen van de wetenschap, ingenieurs van de UCLA Samueli School of Engineering hebben een nieuw type fotodetector uitgevonden die met meer soorten licht kan werken dan zijn huidige ultramoderne tegenhangers. Het apparaat heeft ook superieure detectie- en beeldvormingsmogelijkheden.

Fotodetectoren zijn lichtsensoren; in camera's en andere beeldapparatuur, ze voelen patronen van elementaire deeltjes die fotonen worden genoemd, en maak afbeeldingen van die patronen. Verschillende fotodetectoren zijn gebouwd om verschillende delen van het lichtspectrum waar te nemen. Bijvoorbeeld, fotodetectoren worden gebruikt in nachtkijkers om thermische straling waar te nemen die onzichtbaar is voor het blote oog. Anderen worden gebruikt in camera's die chemicaliën in de omgeving identificeren aan de hand van de manier waarop ze licht reflecteren.

Hoe veelzijdig en nuttig fotodetectoren zijn, hangt grotendeels af van drie factoren:hun werksnelheid, hun gevoeligheid voor lagere lichtniveaus, en hoeveel van het spectrum ze kunnen waarnemen. Typisch, wanneer ingenieurs de mogelijkheden van een fotodetector op een van die gebieden hebben verbeterd, ten minste één van de twee andere mogelijkheden is verminderd.

De fotodetector die is ontworpen door het UCLA-team heeft belangrijke verbeteringen op alle drie de gebieden:hij werkt over een breed scala aan licht-, verwerkt beelden sneller en is gevoeliger voor lage lichtniveaus dan de huidige technologie.

"Onze fotodetector zou de reikwijdte en het potentiële gebruik van fotodetectoren in beeldvormings- en detectiesystemen kunnen uitbreiden, " zei Mona Jarrahi, een professor in elektrische en computertechniek, die de studie leidde. "Het zou thermische beeldvorming in nachtzicht of in medische diagnosetoepassingen drastisch kunnen verbeteren, waar subtiele temperatuurverschillen artsen veel informatie over hun patiënten kunnen geven. Het zou ook kunnen worden gebruikt in omgevingsdetectietechnologieën om de concentratie van verontreinigende stoffen nauwkeuriger te identificeren."

De studie werd gepubliceerd in het tijdschrift Licht:wetenschap en toepassingen .

De nieuwe fotodetector maakt gebruik van de unieke eigenschappen van grafeen, een superdun materiaal dat bestaat uit een enkele laag koolstofatomen. Grafeen is een uitstekend materiaal voor het detecteren van fotonen omdat het energie kan absorberen uit een breed deel van het elektromagnetische spectrum - van ultraviolet licht tot zichtbaar licht tot de infrarood- en microgolfbanden. Grafeen is ook een zeer goede geleider van elektrische stroom - elektronen kunnen er ongehinderd doorheen stromen.

Om de fotodetector te vormen, legden de onderzoekers stroken grafeen over een laag siliciumdioxide, die zelf een basis van silicium bedekt. Vervolgens, ze creëerden een reeks kamachtige patronen op nanoschaal, gemaakt van goud, met "tanden" van ongeveer 100 nanometer breed.

Het grafeen fungeert als een net om binnenkomende fotonen op te vangen en vervolgens om te zetten in een elektrisch signaal. De gouden kamvormige nanopatronen brengen die informatie snel over naar een processor, die op zijn beurt een overeenkomstig beeld van hoge kwaliteit produceert, zelfs bij weinig licht.

"We hebben specifiek de afmetingen van de grafeen-nanostrips en hun metalen patches zo ontworpen dat binnenkomend zichtbaar en infrarood licht er strak in wordt opgesloten, " zei Semih Cakmakyapan, een UCLA-postdoctoraal wetenschapper en de hoofdauteur van de studie. "Dit ontwerp produceert op efficiënte wijze een elektrisch signaal dat ultrasnelle en subtiele variaties in de intensiteit van het licht over het gehele spectrale bereik volgt, van zichtbaar naar infrarood."