Nopeampia ja herkempiä valoilmaisimia

Marylandin yliopiston tutkijat ovat kehittäneet uudentyyppisen kuumaelektronibolometrin eli herkän infrapunavalon ilmaisimen, jota voidaan käyttää laajasti erilaisissa sovelluksissa.

Innovaatio lupailee parempaa biokemiallisten aseiden ilmaisua ja henkilöskannereita sekä uusia välineitä pimeän energian ja maailmankaikkeuden rakenteen tutkimiseen.

Uudessa bolometrissä tutkijat hyödyntävät kaksikerroksista grafeenia. Sen ominaisuuksista johtuen bolometrin odotetaan olevan herkkä erittäin laajalle ​​kaistalle valoenergioita, jotka vaihtelevat terahertsisäteily taajuuksista tai alimillimetrin aalloista läpi infrapunan näkyvään valoon asti.

Useimmat fotoni-ilmaisimet perustuvat puolijohteisiin, joiden energiaraot rajoittavat sitä millaisen energian omaavia fotoneja se voi absorboida. Grafeenilla ei ole energiarakoa ollenkaan joten se voi absorboida hyvin vähäenergisiä fotoneja.

Grafeenin toinen houkutteleva ominaisuus on fotonin vaimeneminen. Elektronit, jotka absorboivat energiaa eivät menetä energiaansa materiaalin atomien värähtelyihin. Tämä ominaisuus tuottaa grafeenille myös erittäin pienen resistanssin.

Marylandin yliopiston tutkijat hyödyntävät laitteessaan näitä kahta ominaisuutta. Laite toimii mittaamalla vastuksen muutosta, joka seuraa elektronien kuumenemisesta niiden absorboidessa valoa.

Tavallisesti grafeenin vastus on lähes riippumaton lämpötilasta, mikä ei sovi bolometrille. Marylandin tutkijoiden täytyikin altistaa kaksikerroksinen grafeeni sähkökentälle, jotta siihen syntyy pieni kaistarako, joka on tarpeeksi suuri, jotta sen resistanssi tulee riippuvaiseksi lämpötilasta, mutta riittävän pieni säilyttääkseen kyvyn absorboida alhaisen energian infrapunafotoneja.

Tutkijat havaitsivat, että heidän bolometrinsa saavuttaa vastaavan herkkyyden kuin nykyiset laitteet mutta ovat yli tuhat kertaa nopeampia. He ekstrapoloivat grafeenibolometrinsa suorituskykyä alemmilla lämpötiloilla ja havaitsivat, että se voittaa kaikki alan nykyiset tekniikat.

Joitakin haasteita on kuitenkin vielä jäljellä. Kaksikerrosgrafeenibolometrilla on suurempi resistanssi kuin muilla vastaavilla laitteilla, mikä voi vaikeuttaa käyttöä korkeilla taajuuksilla. Lisäksi kaksikerroksinen grafeeni absorboi tulevasta valosta vain muutamia prosentteja.

Mutta Maryland tutkijat työstävät jo tapoja kiertää nämä vaikeudet ja ovat vakuuttuneita siitä, että grafeenilla on valoisa tulevaisuus myös valoilmaisun materiaalina.

Aiheesta aiemmin:

Valoisia ominaisuuksia grafeenista