Графеновий інфрачервоний датчик дозволить створити мініатюрні системи теплового бачення, вбудовані в контактні лінзи
Сучасні світлочутливі датчики, що працюють у середньо - та довгохвильової частини спектра інфрачервоного світла, принципово не можуть бути миниатюризированы з-за того, що для їх роботи потрібні додаткові системи охолодження. Але розвиток технологій не стоїть на місці і використання нових матеріалів в окремих випадках дозволяє реалізувати такі речі, які раніше просто вважалися неможливими. Саме таким випадком стала розробка дослідниками Мічиганського університету нового датчика на основі графена, чутливість якого охоплює весь діапазон інфрачервоного світла, який можна миниатюризировать до такої міри, що пристрій теплового бачення поміститься всередині контактної лінзи.
"Ми можемо зробити конструкцію нашого графенового інфрачервоного датчика надзвичайно тонкої" - розповідає Жаохуи Жонг, доцент з Мічиганського університету, - "Такий датчик може бути легко інтегрований в конструкцію мобільного телефону, а при великому бажанні його можна буде вбудувати прямо в контактні лінзи".
Основою нового інфрачервоного датчика став графен, особлива форма вуглецю, що має кристалічну решітку, товщиною всього в один атом. У силу своїх унікальних електричних і оптичних характеристик графен може служити в ролі фотодатчика, відчуває не тільки весь діапазон видимого світла, він чутливий до ультрафіолетового та інфрачервоного світла у всьому їх діапазоні. На жаль, на деяких ділянках спектра у графена спостерігаються провали, особливо в діапазоні довгохвильового інфрачервоного світла, в якому графен здатний поглинути все 2.3 відсотка від падаючого на нього світла, чого недостатньо для отримання сталого електричного сигналу.
"Проблемою всіх існуючих фотодатчиків на основі графену є їх низька чутливість, пов'язана з одноатомной товщиною кристалічної решітки графену" - розповідає Жаохуи Жонг, - "Чутливість цих датчиків в 100-1000 разів нижче, ніж потрібно для їх практичного використання".
Для подолання вищезгаданої проблеми вчені розробили принципово новий спосіб отримання та посилення електричного сигналу. Замість безпосереднього вимірювання параметрів потоку вільних електронів, вивільнених зіткненнями фотонів з атомами вуглецю, учені посилили електричний сигнал, реєструючи зміни поточного через другий шар графену електричного струму від зовнішнього джерела.
Для того, щоб домогтися ефекту посилення сигналу вчені розмістили тонкий шар ізоляційного матеріалу між двома листами графена. Через нижній лист графену пропускався стабільний електричний струм від зовнішнього джерела. Коли фотони світла стикаються з атомами вуглецю верхнього графенового шару, це призводить до вивільнення електрона, на місці якого залишається порожнє місце, електронна дірка в кристалічній решітці, яка є носієм позитивного електричного заряду. Завдяки маленькою товщині ізоляційного матеріалу вільні електрони за рахунок ефекту квантового тунелювання перескакували на нижній графеновий шар, а позитивне електричне поле верхнього шару зрушує значення забороненої зони нижнього шару і має суттєвий вплив на поточний через цей шар електричний струм, що дозволяє судити про силу падаючого на датчик світла.
В результаті всього цього ученим вдалося створити датчик, що має досить високу чутливість у всьому діапазоні інфрачервоного світла, розмір якого не перевищує розміру нігтя мізинця руки. Більш того, новий датчик не вимагає додаткового охолодження і прекрасно працює при кімнатній температурі. Такий пристрій напевно знайде масу застосувань у військовій області, в наукових технологіях і навіть в електроніці споживчого класу.