Een team van onderzoekers heeft een apparaat ontwikkeld dat het materiaal grafeen gebruikt om midden-infrarood licht te detecteren en dit efficiënt om te zetten in een elektrisch signaal bij kamertemperatuur. Het is een doorbraak die kan leiden tot betere communicatiesystemen, warmtebeeldcamera's en andere technologieën.

Gepubliceerd in Natuurmaterialen , de studie is een samenwerking tussen de laboratoria van Fengnian Xia, Barton L. Weller Associate Professor in Engineering and Science en F. Javier Garcia de Abajo van The Institute of Photonic Sciences (ICFO), Spanje.

Midden-infraroodstraling van 8 tot 14 micrometer is uiterst nuttig bij thermische beeldvorming en het onthullen van moleculair-specifieke spectroscopische informatie. In aanvulling, dergelijke straling kan zich zonder noemenswaardig verlies in de lucht voortplanten, wat wijst op het enorme potentieel in communicatie in de vrije ruimte en teledetectie. Echter, conventionele midden-infrarood-infrarooddetectoren op kamertemperatuur zijn doorgaans erg traag vanwege de grote thermische capaciteit, wat leidt tot een lange tijdconstante voor warmteafvoer.

Het apparaat dat in dit onderzoek is gedemonstreerd, maakt gebruik van de unieke eigenschappen van de zeer geleidende, atomair dun grafeen, dat is een enkele laag koolstofatomen, en zijn plasmon - een kwantum van zijn collectieve elektronenoscillaties.

"Grafeen is een soort materiaal dat middeninfrarood licht kan omzetten in plasmonen en vervolgens kunnen de plasmonen worden omgezet in warmte, " zei Qiushi Guo, een doctoraat student in Xia's lab en eerste auteur van de studie. "Wat echt uniek is aan grafeen, is dat de temperatuurstijging van elektronen veroorzaakt door plasmonverval veel hoger is dan die van andere materialen"

De weerstand van grafeen is zeer ongevoelig voor temperatuur bij kamertemperatuur, als resultaat, het is moeilijk om midden-infrarood licht elektrisch te detecteren, behalve bij extreem lage temperaturen, wat betekent dat het niet kan worden geïntegreerd in bruikbare apparaten. Daartoe, in dit werk ontwikkelden de onderzoekers een nieuw apparaat met grafeenschijf-plasmonische resonatoren verbonden door quasi-eendimensionale nanoribbons. Het kan het midden-infraroodlicht bij kamertemperatuur effectief detecteren.

"Ons apparaat heeft kunstmatige nanostructuren die licht omzetten in plasmonen, en vervolgens in elektronische warmte, " zei Guo. "De weerstand is ook erg gevoelig voor de temperatuurstijging. In tegenstelling tot dat in grafeenblad, in smalle grafeen nanoribbons, elektronentransport hangt sterk af van de thermische energie van elektronen."

Bovendien, Guo zei, is dat het apparaat zeer snel reageert op de mid-infrarode stralingen. "Bestaande thermische sensoren voor kamertemperatuur hebben over het algemeen een grote warmtecapaciteit en goed ontworpen thermische isolatiestructuren. Ze hebben meestal milliseconden nodig om op te warmen. Maar voor grafeen, het kan supersnel zijn - één nanoseconde, of slechts 1 miljardste van een seconde." Dit maakt de grafeendetector zeer geschikt voor high-speed free-space communicatietoepassingen in mid-infrarood, wat buiten het bereik ligt van conventionele microbolometers die bij kamertemperatuur werken.

Het apparaat is eenvoudig en schaalbaar. Opmerkelijk, de voetafdruk van het apparaat kan zelfs kleiner zijn dan de golflengte van het licht. "Het biedt veel nieuwe kansen in mid-infrarood fotonica, Xia zei. "Het bouwen van een midden-infraroodcamera met hoge resolutie en subgolflengtepixels, bijvoorbeeld, of om te worden geïntegreerd in fotonische geïntegreerde schakelingen om mid-infraroodspectrometers op een enkele chip mogelijk te maken."