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  • Gli scienziati creano più velocemente, fotorilevatore più sensibile ingannando il grafene

    Gli elettroni nel grafene a doppio strato vengono riscaldati da un raggio di luce. Credito:Loretta Kuo e Michelle Groce, Università del Maryland.

    (Phys.org) - I ricercatori del Centro per la nanofisica e i materiali avanzati dell'Università del Maryland hanno sviluppato un nuovo tipo di bolometro a elettroni caldi, un rivelatore sensibile di luce infrarossa, che può essere utilizzato in una vasta gamma di applicazioni dal rilevamento di armi chimiche e biochimiche a distanza e l'uso in tecnologie di imaging di sicurezza come i body scanner aeroportuali, all'analisi chimica in laboratorio e allo studio della struttura dell'universo attraverso telescopi migliorati.

    I ricercatori dell'UMD, guidato dal Research Associate Jun Yan e dai professori Michael Fuhrer e Dennis Drew, ha sviluppato il bolometro utilizzando grafene a doppio strato, due fogli di carbonio a spessore atomico. A causa delle proprietà uniche del grafene, il bolometro dovrebbe essere sensibile a una gamma molto ampia di energie luminose, che vanno da frequenze terahertz o onde submillimetriche attraverso l'infrarosso alla luce visibile.

    Il bolometro a elettroni caldi al grafene è particolarmente promettente come un veloce, sensibile, e rilevatore a basso rumore di onde submillimetriche, che sono particolarmente difficili da rilevare. Poiché questi fotoni sono emessi da molecole interstellari relativamente fredde, l'astronomia submillimetrica studia le prime fasi della formazione di stelle e galassie osservando queste nuvole interstellari di molecole. Si cercano rivelatori sensibili di onde submillimetriche per nuovi osservatori che determineranno gli spostamenti verso il rosso e le masse di giovani galassie molto distanti e consentiranno studi sull'energia oscura e lo sviluppo della struttura nell'universo.

    I risultati del team del Maryland sono pubblicati nel numero del 3 giugno di Nanotecnologia della natura .

    La maggior parte dei rivelatori di fotoni è basata su semiconduttori. I semiconduttori sono materiali che hanno una gamma di energie che i loro elettroni non possono occupare, chiamato gap di banda. Gli elettroni in un semiconduttore possono assorbire fotoni di luce con energie maggiori dell'energia del gap di banda, e questa proprietà costituisce la base di dispositivi come le celle fotovoltaiche.

    Grafene, un singolo piano di grafite dello spessore di un atomo, è unico in quanto ha una banda proibita di energia esattamente zero; il grafene può quindi assorbire fotoni di qualsiasi energia. Questa proprietà rende il grafene particolarmente attraente per assorbire fotoni a bassissima energia (terahertz e infrarossi) che attraversano la maggior parte dei semiconduttori. Il grafene ha un'altra proprietà interessante come assorbitore di fotoni:gli elettroni che assorbono l'energia sono in grado di trattenerla in modo efficiente, piuttosto che perdere energia alle vibrazioni degli atomi del materiale. Questa stessa proprietà porta anche a una resistenza elettrica estremamente bassa nel grafene.

    I ricercatori dell'Università del Maryland hanno sfruttato queste due proprietà per ideare il bolometro a elettroni caldi. Funziona misurando la variazione della resistenza che risulta dal riscaldamento degli elettroni mentre assorbono la luce.

    Normalmente, la resistenza del grafene è quasi indipendente dalla temperatura, inadatto per un bolometro. Quindi i ricercatori del Maryland hanno usato un trucco speciale:quando il grafene a doppio strato è esposto a un campo elettrico ha un piccolo gap di banda, abbastanza grande che la sua resistenza diventa fortemente dipendente dalla temperatura, ma abbastanza piccolo da mantenere la sua capacità di assorbire fotoni infrarossi a bassa energia.

    I ricercatori hanno scoperto che il loro bolometri a elettroni caldi a doppio strato di grafene operante a una temperatura di 5 Kelvin aveva una sensibilità paragonabile a quella dei bolometri esistenti operanti a temperature simili, ma era più di mille volte più veloce. Hanno estrapolato le prestazioni del bolometro al grafene per abbassare la temperatura e hanno scoperto che potrebbe battere tutte le tecnologie esistenti.

    Rimangono alcune sfide. Il bolometro in grafene a doppio strato ha una resistenza elettrica maggiore rispetto a dispositivi simili che utilizzano altri materiali che possono rendere difficile l'uso alle alte frequenze. Inoltre, il grafene a doppio strato assorbe solo una piccola percentuale della luce incidente. Ma i ricercatori del Maryland stanno lavorando su come aggirare queste difficoltà con nuovi design di dispositivi, e siamo fiduciosi che un grafene abbia un brillante futuro come materiale fotorilevatore.


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