Onderzoeker Debashis Chanda van de University of Central Florida (UCF), een professor aan UCF’Het NanoScience Technology Center heeft een nieuwe techniek ontwikkeld om langegolf-infraroodfotonen (LWIR) met verschillende golflengten of ‘kleuren’ te detecteren.
Het onderzoek is onlangs geweest gepubliceerd in Nano-brieven.
De nieuwe detectie- en beeldvormingstechniek zal toepassingen hebben bij het analyseren van materialen op basis van hun spectrale eigenschappen, of spectroscopische beeldvorming, evenals thermische beeldvormingstoepassingen.
Mensen nemen primaire en secundaire kleuren waar, maar geen infrarood licht. Wetenschappers veronderstellen dat dieren zoals slangen en nachtdieren verschillende golflengten in het infrarood kunnen detecteren, bijna zoals mensen kleuren waarnemen.
Infrarooddetectie, met name LWIR, bij kamertemperatuur is al lang een uitdaging vanwege de zwakke fotonenenergie, zegt Chanda.
LWIR-detectoren kunnen grofweg worden ingedeeld in gekoelde of ongekoelde detectoren, zegt de onderzoeker.
Gekoelde detectoren blinken uit in hoge detectiviteit en snelle responstijden, maar hun afhankelijkheid van cryogene koeling verhoogt hun kosten aanzienlijk en beperkt hun praktische toepassingen.
Daarentegen kunnen ongekoelde detectoren, zoals microbolometers, functioneren bij kamertemperatuur en tegen relatief lagere kosten, maar vertonen ze een lagere gevoeligheid en langzamere responstijden, zegt Chanda.
Beide soorten LWIR-detectoren missen de dynamische spectrale afstembaarheid, en dat kunnen ze ook’t onderscheid maken tussen fotongolflengten van verschillende ‘kleuren’.
Chanda en zijn team van postdoctorale wetenschappers probeerden verder te gaan dan de beperkingen van bestaande LWIR-detectoren, dus werkten ze aan het demonstreren van een zeer gevoelige, efficiënte en dynamisch afstembare methode op basis van grafeen met nanopatronen.
Tianyi Guo is de hoofdauteur van het onderzoek. Guo voltooide zijn doctoraat aan UCF in 2023 onder Chanda’s mentorschap. Deze nieuw ontdekte methode is het resultaat van het onderzoek dat Guo, Chanda en anderen in Chanda hebben gedaan’s lab heeft opgetreden, zegt Chanda.
“Geen enkele huidige gekoelde of ongekoelde detectoren bieden zo’n dynamische spectrale afstembaarheid en ultrasnelle respons”, zegt Chanda. “Deze demonstratie onderstreept het potentieel van speciaal ontworpen monolaag-grafeen-LWIR-detectoren die bij kamertemperatuur werken en een hoge gevoeligheid en dynamische spectrale afstembaarheid bieden voor spectroscopische beeldvorming.”
De detector is afhankelijk van een temperatuurverschil in materialen (bekend als het Seebeck-effect) binnen een grafeenfilm met asymmetrisch patroon. Bij lichtverlichting en interactie genereert de van een patroon voorziene helft hete dragers met een sterk verbeterde absorptie, terwijl de niet van een patroon voorziene helft koel blijft. De diffusie van de hete dragers creëert een fotothermo-elektrische spanning en wordt gemeten tussen de source- en drain-elektroden.
Door het grafeen in een gespecialiseerde array te structureren, bereikten de onderzoekers een verbeterde absorptie en konden ze verder elektrostatisch afstemmen binnen het LWIR-spectrabereik en betere infrarooddetectie bieden. De detector overtreft aanzienlijk de mogelijkheden van de conventionele, ongekoelde infrarooddetectoren, ook wel microbolometers genoemd.
“Het voorgestelde detectieplatform baant de weg voor een nieuwe generatie ongekoelde op grafeen gebaseerde LWIR-fotodetectoren voor uiteenlopende toepassingen zoals consumentenelektronica, moleculaire detectie en ruimtevaart, om er maar een paar te noemen”, zegt Chanda.
Meer informatie:
Tianyi Guo et al., Spectraal afstembare ultrasnelle langegolf-infrarooddetectie bij kamertemperatuur, Nano-brieven (2024). DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c03832
Tijdschriftinformatie:
Nano-brieven
Aangeboden door de Universiteit van Centraal-Florida
