Investigadores del Graphene Flagship han desarrollado un nuevo detector de infrarrojos (IR) basado en grafeno que demuestra una sensibilidad récord para la detección térmica. Los atributos únicos del grafeno allanan el camino para la obtención de imágenes y espectroscopía IR de alto rendimiento.

Los beneficios del grafeno están abriendo posibilidades en imágenes y espectroscopía IR de alto rendimiento. Investigadores de Graphene Flagship, trabajando en la Universidad de Cambridge (Reino Unido), Emberion Ltd. (Reino Unido), el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO; España), Nokia Reino Unido, y la Universidad de Ioannina (Grecia) han desarrollado un bolómetro piroeléctrico basado en grafeno que detecta la radiación infrarroja (IR) midiendo pequeños cambios de temperatura con un nivel de precisión ultra alto. La obra, publicado en Comunicaciones de la naturaleza , demuestra la mayor sensibilidad a la temperatura reportada para los detectores térmicos no refrigerados basados ​​en grafeno, capaz de resolver cambios de temperatura hasta unas pocas decenas de µK. Solo se requieren unos pocos nanovatios de potencia de radiación IR para producir una variación de temperatura tan pequeña en dispositivos aislados, aproximadamente 1000 veces más pequeño que la potencia de infrarrojos entregada al detector por una mano humana en las proximidades.

La alta sensibilidad del detector es de gran utilidad para aplicaciones espectroscópicas más allá de la imagen térmica. Con un detector de infrarrojos basado en grafeno de alto rendimiento que proporciona una señal fuerte con menos radiación incidente, es posible aislar diferentes partes del espectro IR. Esto es de vital importancia en las aplicaciones de seguridad, donde diferentes materiales, como los explosivos, pueden distinguirse por sus espectros característicos de absorción o transmisión de infrarrojos.

Dr. Alan Colli, Ingeniero principal en Emberion y codirector de la investigación, dijo:"Con un detector de mayor sensibilidad, se puede restringir la gran banda térmica y aún así formar una imagen utilizando fotones en un rango espectral muy estrecho y hacer imágenes IR multiespectrales. Para control de seguridad, hay firmas específicas que los materiales emiten o absorben en bandas estrechas. Entonces, desea un detector que esté entrenado en esa banda estrecha. Esto puede resultar útil al buscar explosivos, sustancias peligrosas, o cualquier cosa por el estilo ".

Los fotodetectores IR típicos operan a través del efecto piroeléctrico, o como bolómetros, que miden los cambios de resistencia debidos al calentamiento. El bolómetro piroeléctrico basado en grafeno combina ambos enfoques con las excelentes propiedades eléctricas del grafeno, para un máximo rendimiento. El grafeno actúa como un amplificador integrado para la señal, eliminando la necesidad de transistores externos, lo que significa que no hay pérdidas por capacitancia parásita, y notablemente bajo nivel de ruido. La alta conductividad del grafeno también ofrece una adaptación de impedancia conveniente con el circuito integrado de lectura externa (ROIC) utilizado para interactuar con los píxeles del detector y el dispositivo de grabación. Con la mejora continua de la calidad del grafeno (p. Ej., mayor movilidad), Se pueden fabricar dispositivos robustos con un rango dinámico extendido (rango de temperatura sobre el cual el dispositivo funcionará de manera confiable) mientras se mantiene la misma excelente capacidad de respuesta a la temperatura.

Prof. Andrea Ferrari, El director del Cambridge Graphene Center y coautor del trabajo dijo:"Este trabajo es otro ejemplo de la marcha constante del grafeno en la hoja de ruta hacia las aplicaciones. Emberion es una nueva empresa creada para producir fotónica y electrónica de grafeno para fotodetectores infrarrojos y sensores térmicos". , y este trabajo ejemplifica cómo la ciencia y la tecnología básicas pueden conducir a una rápida comercialización ". Ferrari es el oficial de ciencia y tecnología de Graphene Flagship, y Presidente del Panel de Gestión Insignia.

Prof. Frank Koppens, coautor del trabajo, es líder de Quantum Nano-Optoelectronics en ICFO, y lidera el paquete de trabajo de Fotónica y Optoelectrónica de Graphene Flagship. "Una de las aplicaciones más prometedoras del grafeno es la fotodetección e imágenes de banda ancha. La combinación de detección visible e infrarroja en un sistema de material no es posible con ninguna otra tecnología existente. El programa Graphene Flagship se basará en este trabajo para desarrollar sistemas de imágenes hiperespectrales". y explotar las direcciones donde el grafeno es único, " él dijo.

Dr. Daniel Neumaier (AMO, Alemania) es el líder de la división de integración de electrónica y fotónica insignia de grafeno y no participó directamente en el trabajo. Dijo que "el tamaño del mercado de los detectores de infrarrojos ha aumentado drásticamente en los últimos años y estos dispositivos están entrando cada vez más en áreas de aplicación. En particular, el control de seguridad espectroscópico es cada vez más importante. Esto requiere una alta sensibilidad en funcionamiento a temperatura ambiente. El presente trabajo es un gran paso adelante en el cumplimiento de estos requisitos en los detectores de infrarrojos basados ​​en grafeno ".