Grafen kluczem do superszybkiego i czułego fotodetektora

Naukowcy z University of Maryland (UMD) skonstruowali bazujący na 'gorących elektronach' bolometr, który jest bardzo czułym detektorem promieniowania podczerwonego.

Urządzenie tego rodzaju ma bardzo szerokie zakres potencjalnych zastosowań; w tym: wykrywanie chemicznej i biochemicznej broni z odległości, skanowanie ciała na lotniskach, laboratoryjne analizy chemiczne czy wreszcie badanie wszechświata.

Naukowcy z Umd wykorzystali w swoim wynalazku dwuwarstwowy grafen. Dzieki jego unikalnym właściwościom, bolometr będzie wrażliwy na bardzo szerokie pasmo promieniowania, od terahercowego, po submilimetrowe.

Nowy bolometr jest szczególnie obiecujący w kontekście wykrywania fal submilimetrowych, które są szczególnie trudne do wychwycenia, gdyż fotony te emitowane są przez dość chłodne cząsteczki międzygwiezdne. Taki bolometr pozwoli określić przesunięcie ku czerwieni oraz masy bardzo odległych młodych galaktyk, a przy tym pozwoli badać ciemną energię.

Większość spośród detektorów fotonów bazują na półprzewodnikach, a te mają zakresy energii, które są dla elektronów niedostępne. Elektrony w półprzewodnikach mogą absorbować fotony o energii powyżej pasma wzbronionego.

Natomiast grafen jest unikalny, gdyż jego pasmo wzbronione przypada na energię równą zero. Oznacza to, że może on absorbować fotony o dowolnej energii. Właściwość ta czyni go szczególnie użytecznym w kontekście absorbowania fotonów o bardzo małej energii (terahercowe, podczerwone), których zaabsorbować półprzewodniki nie są w stanie. Dodatkowo, elektrony, które pochłoną energię są w stanie ją efektywnie oddać, nie tracąc jej na wibracje. Skutkiem tego jest wyjątkowo niska rezystancja elektryczna grafenu.

Właśnie te dwie własności wykorzystali naukowcy z UMD w swoim bolometrze. Mierzy on zmianę rezystancji wynikającą z rozgrzewania się elektronów absorbujących światło.

Normalnie rezystancja grafenu jest praktycznie od temperatury niezależna. Dlatego naukowcy posłużyli się trikiem: gdy dwuwarstwowy grafen wystawiony jest na działanie pola elektrycznego, ma niewielkie pasmo wzbronione, które jest jednak wystarczające, by uzależnić rezystancję od temperatury, a przy tym dość małe, by utrzymać zdolność do absorbowania podczerwonych fotonów o małej energii.

Naukowcy odkryli, że ich bolometr działający w temperaturze 5 kelwinów ma czułość porównywalną z innymi bolometrami, ale jest przy tym przeszło tysiąc razy szybszy.

(lk)