В отличие от имеющихся на рынке сопоставимых детекторов среднего и дальнего инфракрасного диапазона, детектор, разработанный инженерами Мичиганского университета, не требует для работы громоздкого охлаждающего оборудования.«Мы можем сделать всю конструкцию сверхтонкой», — сказал Чжаохуэй Чжун, доцент кафедры электротехники и информатики. «Его можно накладывать на контактную линзу или интегрировать с мобильным телефоном».
Инфракрасный свет начинается с длин волн, немного превышающих длину видимого красного света, и простирается до длин волн до миллиметра. Инфракрасное зрение, возможно, лучше всего известно тем, что оно обнаруживает людей и животных в темноте и утечки тепла в домах, но оно также может помочь врачам контролировать кровоток, определять химические вещества в окружающей среде и позволяет историкам искусства увидеть эскизы Поля Гогена под слоями краски.
В отличие от видимого спектра, который обычные камеры фиксируют с помощью одного чипа, инфракрасное изображение требует сочетания технологий, позволяющих одновременно видеть ближнее, среднее и дальнее инфракрасное излучение. Что еще более сложно, датчики среднего и дальнего инфракрасного диапазона обычно должны работать при очень низких температурах.Графен, один слой атомов углерода, может воспринимать весь инфракрасный спектр, а также видимый и ультрафиолетовый свет. Но до сих пор он не был пригоден для инфракрасного обнаружения, потому что он не может улавливать достаточно света для генерации обнаруживаемого электрического сигнала.
При толщине в один атом он поглощает только около 2,3% падающего на него света. Если свет не может производить электрический сигнал, графен нельзя использовать в качестве датчика.«Проблема современного поколения детекторов на основе графена заключается в том, что их чувствительность обычно очень низкая», — сказал Чжун. «Это в сто или тысячу раз меньше, чем требуется для коммерческого устройства».Чтобы преодолеть это препятствие, Чжун и Тед Норрис, профессор электротехники и компьютерных наук Джерарда А. Моуру, работали с аспирантами над разработкой нового способа генерации электрического сигнала.
Вместо того, чтобы напрямую измерять количество электронов, которые высвобождаются при попадании света на графен, они усиливали сигнал, вместо этого наблюдая за тем, как индуцированные светом электрические заряды в графене влияют на близлежащий ток.«Наша работа открыла новый способ обнаружения света», — сказал Чжун. «Мы предполагаем, что люди смогут использовать этот же механизм в других платформах материалов и устройств».Для изготовления устройства между двумя листами графена помещен изолирующий барьерный слой.
В нижнем слое протекал ток. Когда свет попадает на верхний слой, он освобождает электроны, создавая положительно заряженные дырки. Затем электроны использовали квантово-механический трюк, чтобы проскользнуть через барьер в нижний слой графена.Положительно заряженные дырки, оставленные в верхнем слое, создавали электрическое поле, которое влияло на поток электричества через нижний слой.
Измеряя изменение тока, команда смогла определить яркость света, падающего на графен. Новый подход впервые позволил чувствительности графенового устройства при комнатной температуре конкурировать с чувствительностью охлаждаемых детекторов среднего инфракрасного диапазона.Устройство уже меньше ногтя мизинца и его легко уменьшить. Чжун предлагает использовать их в виде инфракрасных камер.
«Если мы объединим его с контактными линзами или другой носимой электроникой, это расширит ваше зрение», — сказал Чжун. «Это дает вам еще один способ взаимодействия с окружающей средой».В то время как полное инфракрасное обнаружение, вероятно, найдет применение в военных и научных технологиях, вопрос для общего рынка технологий вскоре может быть таким: «Хотим ли мы видеть в инфракрасном диапазоне?»