Pierwszy bolometr oparty na grafenie

Amerykańscy naukowcy skonstruowali nowe urządzenie oparte na grafenie służące do detekcji promieniowania podczerwonego. Pomimo że pierwsze wersje tego urządzenia wymagały schładzania go do bardzo niskich temperatur, jego następne modele powinny pracować poprawnie w temperaturze pokojowej i być wykorzystywane m.in. w systemach medycznego obrazowania, czy też w radioastronomii.

Większość urządzeń bazujących na grafenie stosowanych do detekcji światła, opiera się głównie o wykorzystanie efektu foto- lub termoelektrycznego, w którym różnica intensywności światła lub temperatury ulega konwersji na prąd elektryczny. Zupełnie innym rodzajem urządzenia jest bolometr, który absorbuje padające światło i przekształca je na ciepło. Zmiana temperatury wpływa na zmianę rezystancji materiału absorbującego promieniowanie, która to następnie podlega właściwemu pomiarowi.

Grafen i fonony

Grafen może odegrać istotną rolę w produkcji bolometrów, ponieważ potrafi absorbować światło w bardzo szerokim zakresie długości fal, począwszy od ultrafioletu, a kończąc na podczerwieni. Ponadto elektrony w grafenie ulegają bardzo słabemu sprzężeniu z fononami (kwantami drgań sieci krystalicznej), dzięki czemu wskutek procesu absorpcji światła temperatura atomów węgla nie ulega istotnej zmianie. „Zjawisko to pozwala elektronom stawać się znacznie „cieplejszymi”, nie wpływając jednocześnie na zwiększenie temperatury atomów węgla na skutek oddziaływania elektronów z fononami”, powiedział Michael Fuhrer z University of Maryland, jeden z członków zespołu badawczego.

W normalnych warunkach opór grafenu jest prawie całkowicie niezależny od temperatury, czyniąc z niego zupełnie nieprzydatny materiał do produkcji bolometrów. Fuhrer wraz ze współpracownikami przezwyciężyli jednak ten problem stosując w swoim urządzeniu dwuwarstwę grafenu, do powierzchni której przymocowano dwie bramki elektryczne sterujące wartością pola elektrycznego przykładanego prostopadle do takiej dwuwarstwy. Efektem takiego rozwiązania było powstanie przerwy energetycznej w grafenie i tym samym przekształcenie go „z metalu w półprzewodnik”. „Rezystancja takiej dwuwarstwy grafenu silnie zależy od temperatury i dlatego też stanowi doskonały materiał do produkcji bolometrów”, powiedział Fuhrer.

Niskotemperaturowy reżim pracy grafenowego bolometru

Aktualnie dostępna wersja urządzenia działa tylko w temperaturze około 6 K, więc początkowo może być stosowana tylko w aplikacjach, w których wymagana jest wysoka czułość, jak np. w submilimetrowych (terahercowych) urządzeniach wykorzystywanych w radioastronomii. Jednakże zdaniem naukowców możliwe powinno być skonstruowanie nowszej wersji tego bolometru, mogącego pracować w temperaturze pokojowej.

Obecnie grupa Fuhrera pracuje nad ulepszeniem niskotemperaturowej wersji bolometru. „Dwuwarstwa grafenu zastosowana w naszym urządzeniu pochłania obecnie tylko kilka procent światła padającego na jej powierzchnię. Innym problemem jest bardzo wysoka rezystancja takiej warstwy, co skutecznie wpływa na trudność odczytu”, powiedział Fuhrer. „Naszym celem jest zarówno zwiększenie absorpcji światła poprzez wykorzystanie plazmonowego rezonansu w grafenie oraz poszukiwanie innych sposobów, aby obniżyć rezystancję urządzenia np. poprzez zastosowanie nadprzewodzących elektrod”.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com