Ultraherkkä infrapunailmaisin

Kuvantamiseen ja spektroskopiaan

EU:n Graphene Flagshipin tutkijat, Cambridgen ja Ioanninan yliopistoista, Institute of Photonic Sciencesista (ICFO) sekä Emberion ja Nokia UK yrityksistä ovat kehittäneet grafeenipohjaisen pyrosähköisen bolometrin infrapuna (IR) säteilylle mitatakseen lämpötilaa ennätysmäisellä tarkkuustasolla.

Uudenlainen rakenne kykenee havaitsemaan lämpötilan muutoksia, jotka ovat vain muutamia kymmeniä μK. Vain muutama nanowatti IR-säteilytehoa tarvitaan tuottamaan niin pieni lämpötilavaihtelu eristetyissä ilmaisimissa.

Grafeenin perustuvat rakenteet koostuvat pyrosähköisestä substraatista, jossa on sähköä johtavana kanavana yksikerroksinen grafeeni ja elektrodin päällä kelluva hila. Pyrosähköisessä materiaaleissa lämpötilan muutokset johtavat spontaaniin sähkökenttään materiaalin sisällä. Kelluvan hilan elektrodi keskittää tämän kentän grafeeniin ja kenttä aiheuttaa muutoksia grafeenin sähköiseen resistanssiin, joka mitataan laitteen lähtönä.

Tyypilliset IR-ilmaisimet toimivat joko pyrosähköisesti tai bolometreillä eli termisillä valoilmaisimilla. Grafeeni-pohjainen pyrosähköinen bolometri yhdistää molemmat vaikutukset erinomaiseksi suorituskyvyksi jota voidaan käyttää pikseleinä korkean erotuskyvyn lämpökamerassa.

Grafeeni toimii sisäisenä vahvistimena pyrosähköiselle signaalille ilman tavanomaista transistorivahvistinta. Tämä tarkoittaa vähäisempiä häviöitä ja kohinaa, jota vahvistinpiirit väistämättä tuottavat.

Erinomainen herkkyys on eduksi myös spektroskooppisille sovelluksille eli lämpökuvausta laajemmille sovelluksille, kuten turvatarkastuksiin. Nykyiset IR-valoilmaisimet, jotka tukeutuvat integroidun taustan infrapunasäteilyn tuottamaan signaalin eivät sovellu spektroskopiaan.

Grafeeninen IR-ilmaisin antaa erinomaisen signaalin vähemmällä tulevalla säteilyllä, joten siitä on mahdollista eristää eri osat IR-spektriä. Siten voi rakentaa kapeakaistaisen ilmaisimen, josta on hyötyä räjähteitä tai vaarallisia aineita etsittäessä.

Yksi tutkimuksen kirjoittajista, Frank Koppens (ICFO, Espanja) toteaa, että "Yksi lupaavimmista sovelluksista grafeenille on laajakaistainen valoilmaisu ja kuvantaminen. Näkyvän ja infrapunan ilmaisun yhdistäminen samassa materiaalijärjestelmässä ei ole mahdollista millään muulla olemassa olevalla teknologialla."

Aiheesta aiemmin: Nopeampia ja herkempiä valoilmaisimia