Более чувствительные фотодетекторы и анализаторы на основе графена

Иллюстрация к статье. Источник: umd.edu

Исследователи из Центра Нанофизики и перспективных материалов Университета Мэриленда разработали новый тип болометра на горячих электронах — чувствительного детектора инфракрасного излучения, который может быть использован в системах обнаружения химического и биохимического оружия на расстоянии, новых сканерах, химических анализаторах для лабораторий и исследованиях структуры вселенной.

Исследователи под руководством научного сотрудника Джун Ян (Jun Yan), профессора Майкла Фюрера (Michael Fuhrer) и Денниса Дрю (Dennis Drew), разработали болометр с использованием двухслойной графеновой пленки. Благодаря уникальным свойствам графена, болометр как ожидается, будет чувствителен к очень широкому спектру световой энергии от инфракрасного до видимого излучения, терагерцовой частоты или субмиллиметровых волн.

Болометр на горячих электронах из графена перспективен как быстрый, чувствительный и помехоустойчивый детектор субмиллиметровых волн, которые особенно трудно обнаружить.

Необходимость в таких детекторах испытывают новые обсерватории, которые будут определять красные смещения и массы далеких молодых галактик, включая изучение темной энергии и развитие структуры Вселенной.

Ознакомиться с результатами исследования ученых можно из журнала Nature Nanotechnology от 3 июня.

Большинство детекторов фотонов работают на основе полупроводников. Электроны в полупроводнике могут поглощать фотоны света с энергией больше, чем энергия так называемой запрещенной зоны (она характеризует промежуток между зоной проводимости и валентной зоной, заполненной электронами). Именно это свойство и лежит в основе устройств, таких как фотоэлементы.

Графен, в данном случае, уникален тем, что имеет запрещенную зону энергии равную нулю, благодаря этому он способен поглощать фотоны любой энергии. Это свойство делает графен особенно привлекательным для поглощения низкоэнергетических фотонов (терагерцевых и инфракрасных), которые проходят через большинство полупроводников. Графен обладает еще одним привлекательным свойством, как поглотитель фотонов: электроны, которые поглощают энергию в состоянии сохранить ее без потери на колебания атомов материала. Это же свойство и приводит к крайне низкому электрическому сопротивлению (высокой проводимости) в графене.

Как это работает?

Исследователи из Университета штата Мэриленд использовали эти два свойства для разработки болометра на горячих электронах.

Он работает путем измерения изменений в сопротивлении, в результаты нагрева электронов (отсюда и название: балометр на горячих электронах), т.к. те поглощают свет. Как правило, сопротивление графена практически не зависит от температуры, что не подходит для болометра.

Но исследователи использовали специальный трюк: когда двухслойная графеновая пленка подвергается воздействию электрического поля, она имеет небольшую ширину запрещенной зоны, чего, впрочем, достаточно, чтобы его сопротивление стало сильно зависеть от температуры, но достаточно мало, чтобы поддерживать свою способность поглощать низкоэнергетические инфракрасные фотоны.

Исследователи обнаружили, что их биграфеновый болометр на горячих электронах при температуре 5 Кельвина по чувствительности сопоставим с существующими болометрами, работающими на аналогичных температурах, превосходя их в скорости более чем в тысячу раз.

Несмотря на все преимущества нового детектора, он обладает существенными недостатками. Двухслойный графеновый болометр имеет более высокое электрическое сопротивление, чем аналогичные устройства с использованием других материалов, что может сделать его трудно используемым на высоких частотах. Кроме того, двухслойный графен поглощает лишь несколько процентов падающего света.

По данным nature.com

© 2012 Мир Инноваций

Похожие новости

Ответить

Фотогалерея

Войти