Wednesday, 16 April, 2014

Teadlased valmistasid grafeeni abil kiirema ja tundlikuma fotodetektori

June 5, 2012 Postitas: Stiina Kristal · Kommenteeri 

Marylandi Ülikooli Nanofüüsika ja Materjaliteaduste Keskuse teadlased töötasid välja uut tüüpi kuuma elektron-bolomeetri – tundliku infrapunavalguse detektori, mida saaks kasutada suures hulgas rakendustes alates keemiliste ja biokeemiliste relvade kaugdetekteerimisest ning turvaskaneeringu tehnoloogiatest kuni keemiliste analüüsideni laboratooriumites ning universumi uurimiseni tänu parandatud teleskoopidele.

Grafeeni kaksikkihi elektronid kuumenevad valguskiire toimel. Pilt: Loretta Kuo and Michelle Groce, University of Maryland

UMD teadlased töötasid antud bolomeetri välja grafeeni kaksikkihi abil. Tänu grafeeni unikaalsetele omadustele arvatakse bolomeeter olevat tundil väga laias valgusenergia vahemikus, ulatudes terahertsistest sagedustest kuni infravalguse ja nähtava valguseni, kirjutab Physorg.com.

Grafeenipõhine kuum elektronbolomeeter on eriti paljulubav kiire, tundliku ja vähese müraga detektorina alla millimeetriste lainete jaoks, mida on seni olnud väga keeruline detekteerida. Kuna neid footoneid kiirgavad võrdlemisi jahedad tähtedevahelised molekulid, uurib submillimeetrine astronoomia tähtede ja galaktikate tekke varaseid staadiumeid just selliste tähtedevaheliste molekulpilvede abil. Submillimeetristele lainetele tundlikud detektorid on vajalikud uute observatooriumite jaoks, mille abil soovitakse määrata väga kaugete noorte galaktikate punanihet ja masse ning uurida tumeainet ja teiste meie universumi kehade arengut.

Enamik footondetektoreid põhinevad pooljuhtidel. Pooljuhid on materjalid, millel on suur hulga energiavahemikke, mida nende elektronid hõivata ei saa – selliseid vahemikke nimetatakse keelutsoonideks. Pooljuhi elektronid suudavad neelata footoneid, mille energiad on suuremad kui keelutsooni energia, mistõttu see omadus on erinevate seadmete, seehulgas fotogalvaaniliste elementide aluseks.

Grafeen on unikaalne selle poolest, et selle keelutsoon on täpselt nullenergia juures, mistõttu suudab grafeen neelata igasuguse energiaga footoneid. See omadus muudab grafeeni eriti huvitavaks väga madala energiaga (teraherts ja infrapuna) footonite neelamisel, mis enamustest pooljuhtidest lihtsalt läbi lähevad. Grafeenil on footonite neelamise seisukohast veel üks huvitav omadus: elektronid, mis energiat neelavad, säilitavad seda efektiivselt, kaotamata aatomite võnkumisel energiat. See omadus on ka grafeeni väga väikese elektrilise takistuse põhjuseks.

Marylandi Ülikooli teadlased kasutasid neid kahte omadust, et töötada välja kuum elektronbolomeeter. See töötab mõõtes takistuse muutumist footoneid neelanud elektronide kuumenemise tagajärjel.

Tavaliselt ei sõltu grafeeni takistus temperatuurist pea üldse, olles nii bolomeetri jaoks kasutu. Seega kasutasid teadlased erilist trikki: kui grafeeni kaksikkiht asub elektriväljas, on sel väike keelutsoon – piisavalt lai, et muuta grafeeni takistus temperatuurist sõltuvaks kuid siiski piisavalt väike, et hoida alles selle võime neelata madala energiaga infrapunafootoneid.

Leiti, et 5 Kelvini juures töötanud grafeenipõhine kuum elektronbolomeeter omab olemasolevate sarnastel temperatuuridel töötavate bolomeetritega võrreldavat tundlikkust kuid on ligi tuhat korda kiirem. Nad ekstrapoleerisid grafeenbolomeetri tööomadusi madalamate temperatuurideni ja leidsid, et see võib olla kõigist olemasolevatest tehnoloogiatest parim.

Mõned väljakutsed siiski on. Grafeeni kaksikkihil põhinev bolomeeter omab suuremat elektrilist takistust kui teistel materjalidel põhinevad sarnased seadmed, mistõttu võib selle seadme kasutamine kõrgemate sageduste juures raskemaks osutuda. Lisaks tuleb märkida, et grafeeni kaksikkiht neelab vaid mõne protsendi pealelangevast valgusest. Marylandi ülikooli teadlased tegelevad aga nende probleemide lahendamisega ja on veendunud, et grafeenil on fotodetektorite maailmas paljulubav tulevik.

Allikas

Teadusartikkel: “Dual-gated bilayer graphene hot-electron bolometer

Ei ole rohkem selle temaatika postitusi.

Räägi meile, mis Sa arvad...


Kommentaarile oma pildi lisamiseks külastage lehekülge gravatar!