Naukowcy z University of Michigan w Stanach Zjednoczonych opracowali pierwszy na świecie, grafenowy fotodetektor rejestrujący pełne spektrum podczerwieni. Nie było by w tym nic niezwykłego, ale sensor działa dobrze także w temperaturze pokojowej. Większość tradycyjnych czujników reagujących na średnią i daleką podczerwień wymaga do pracy niskich temperatur. Dzięki niecodziennym właściwościom i niewielkim rozmiarom materiał potencjalnie można umieścić w bardzo małych urządzeń termowizyjnych, możliwych do zintegrowania w telefonach komórkowych, a nawet w soczewkach kontaktowych.
Promieniowanie podczerwone (z ang. infrared, IR) to tylko część widma elektromagnetycznego, które obejmuje także promieniowanie gamma, rentgenowskie, ultrafioletowe, światło widzialne, mikrofale i fale radiowe. Podczerwień o długości fal około 780 nm do 1 mm znajduje się pomiędzy światłem widzialnym, a mikrofalami. Wszystkie obiekty o temperaturze większej od zera bezwzględnego emitują promieniowanie cieplne. Ogólnie rzecz biorąc, im wyższa jest temperatura danego ciała, tym więcej promieniowania podczerwonego ono emituje. Specjalny aparat może wykryć to promieniowanie nawet w całkowitej ciemności, ponieważ poziom światła widzialnego otoczenia nie ma znaczenia. Urządzenia tego typu są niezwykle przydatne w działaniach ratowniczych, podczas przeprowadzania akcji w zadymionych budynkach i nieoświetlonych podziemiach.
Termografia to proces obrazowania w paśmie podczerwieni pozwalający na rejestrację promieniowania cieplnego emitowanego przez ciała w przedziale temperatur spotykanych w warunkach codziennych, bez konieczności oświetlania ich zewnętrznym źródłem światła. Dodatkowo umożliwia ona dokładny pomiar temperatury tych obiektów. Wykorzystywana jest między innymi w zastosowaniach naukowych, medycznych, policyjnych, wojskowych, przy diagnostyce urządzeń mechanicznych, obwodów elektrycznych i budynków. To także jedna z najbardziej atrakcyjnych metod pomiaru temperatury na odległość. Konwencjonalne urządzenia do obrazowania w podczerwieni wymagają użycia kilku czujników do odbioru światła w bliskiej, średniej i dalekiej podczerwieni. Dwa ostatnie typy wymagają zwykle wydajnego chłodzenia, co wpływa m.in. na zwiększenie zapotrzebowania energetycznego oraz wymiarów gabarytowych.
Grafen jest obiecującym kandydatem na materiał w szerokopasmowych fotodetektorach, a jego spektrum absorpcji (pochłaniania) to zakres od ultrafioletu aż do dalekiej podczerwieni. Jednak arkusz grafenu, mający grubość jednego atomu jest przejrzysty i absorbuje zaledwie 2,3% padającego promieniowania. Ze względu na małą absorpcję optyczną monowarstwy atomów węgla, niemożliwe było wytworzenie odpowiednio mocnego, wyjściowego sygnału elektrycznego. Badacze z USA rozwiązali ten problem poprzez zastosowanie dwóch warstw grafenu rozdzielonych warstwą izolującą z tlenku tantalu (V) – Ta2O5. Tlenek tantalu to nieorganiczny, obojętny związek o wysokim współczynniku załamania światła i niskiej absorpcji. Jest również powszechnie stosowany w produkcji kondensatorów, z powodu swojej wysokiej stałej dielektrycznej.
Dolna warstwa grafenu została podłączona do napięcia, podczas gdy na górną padało światło. Uwolnione nośniki (elektrony) na skutek fotoekscytacji przesuwały się na na dolny arkusz grafenu za sprawą efektu tunelowego. Dzięki zaobserwowanym zmianom natężenia prądu, można było obliczyć natężenie padającego światła. W kategoriach liczbowych, pojedyncza warstwa grafenu produkuje zazwyczaj około kilku miliamperów mocy na wat energii padającego światła (mA/W), a fototranzystor inżynierów z Michigan, około 1 A/W (prawie sto razy więcej).
Prototyp miał rozmiar mniejszy niż najmniejszy paznokieć u dłoni człowieka. Jak twierdzą badacze, aparat można jeszcze bardziej zminiaturyzować. Ultracienkie, lekkie, niewymagające chłodzenia urządzenie niesie ze sobą zapowiedź futurystycznych aplikacji. Jeśli badania będą prowadzone dalej w takim tempie, to za kilkanaście lat soczewki kontaktowe z opcją termowizji lub grafenowe implanty siatkówki oka staną się rzeczywistością.
Źródło:
[1] Chang-Hua Liu, You-Chia Chang, Theodore B. Norris, Zhaohui Zhong. Graphene photodetectors with ultra-broadband and high responsivity at room temperature. Nature Nanotechnology, 2014; DOI: 10.1038/nnano.2014.31
[2] http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2014.31.html [31.03.2014]
[3] http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/extref/nnano.2014.31-s1.pdf [31.03.2014]
[4] http://www.ns.umich.edu/new/releases/22042-thermal-vision-graphene-light-detector-first-to-span-infrared-spectrumervice [31.03.2014]
[5] cold finger Thermographic Camera by Claus Rebler, flickr.com, CC BY-SA 2.0