Новый тип фотодетекторов на основе графена может быть использован при создании ультратонких устройств, работающих при комнатной температуре — например, контактных линз, позволяющих человеку видеть в инфракрасном диапазоне.

«Умная» контактная линза, разрабатываемая Google, предназначена для измерения уровня глюкозы. Однако подобные устройства можно оснастить и другими датчиками…
Два слоя графена, разделенных потенциальным барьером, на кремниевой подложке.
Млечный Путь в инфракрасном диапазоне. Хотите увидеть нечто подобное, взглянув на небо?

Тепловизоры, благодаря которым мы можем различать инфракрасное излучение, известны в первую очередь как приборы ночного видения, но они также помогают врачам следить за током крови в организме пациента, выявлять различные химические вещества в окружающей среде и обнаруживать другие скрытые от человеческого зрения объекты — например, наброски Пола Гогена под слоем краски.

В отличие от видимого излучения, которое большинство камер «ловит» с помощью одной-единственной матрицы, для того, чтобы «увидеть» различные диапазоны инфракрасной области спектра (ближний, средний и дальний), требуется комбинация технологий. При этом детекторы, работающие в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне, требуют постоянного охлаждения. В результате миниатюризация тепловизоров становится довольно непростой задачей.

Графен может выступать в роли сенсора, работающего во всем инфракрасном диапазоне (а также видимом и ультрафиолетовом заодно). Однако чувствительность детекторов на основе графена весьма невысока — она колеблется в пределах десятков миллиампер на ватт (отношение величины производимого электрического сигнала к потоку излучения). Лист графена толщиной в один атом поглощает всего 2.3% излучения, падающего на его поверхность. Интеграция в светочувствительный слой квантовых точек способна повысить чувствительность графеновых сенсоров на несколько порядков — но, увы, за счет значительного сокращения диапазона рабочих частот.

Исследователи из Мичиганского университета придумали новый способ получения электрического сигнала, позволяющий создать высокочувствительный графеновый сенсор, работающий в широком диапазоне частот. Вместо того, чтобы напрямую пытаться «поймать» электроны, высвобождаемые световым потоком из слоя графена-сенсора, ученые усилили сигнал, регистрируя влияние зарядов, возникающих под действием излучения, на электрический ток в другом, близлежащем слое графена.

В созданной исследователями конструкции между двумя слоями графена располагается тонкий слой изолирующего материала — потенциальный барьер. Сквозь нижний слой графена течет электрический ток. Когда свет, падающий на верхний слой графена, высвобождает электроны, они туннелируют в нижний слой, оставляя на месте себя положительно заряженные дырки, которые создают электрическое поле, влияющее на ток в нижнем слое графена. Эти изменения можно зафиксировать и по ним вычислить параметры излучения, падающего на детектор.

Прототип устройства по размерам не больше ногтя, и его с легкостью можно сделать намного меньше. А затем встроить, например, в носимую электронику или даже «умные» контактные линзы, расширив диапазон человеческого зрения в инфракрасную область спектра. Подобные сенсоры наверняка найдут применение не только в потребительской электронике, но и в устройствах, предназначенных для нужд ученых и военных. А вы хотели бы видеть в инфракрасном диапазоне?

По материалам Michigan News, ExtremeTech