I ricercatori della Graphene Flagship hanno sviluppato un nuovo rilevatore a infrarossi (IR) a base di grafene che dimostra un'elevata sensibilità record per il rilevamento termico. Le caratteristiche uniche del grafene aprono la strada all'imaging IR e alla spettroscopia ad alte prestazioni.

I vantaggi del grafene aprono nuove possibilità nell'imaging IR e nella spettroscopia ad alte prestazioni. Ricercatori dell'ammiraglia del grafene, lavorando presso l'Università di Cambridge (Regno Unito), Emberion Ltd. (Regno Unito), l'Istituto di Scienze Fotoniche (ICFO; Spagna), Nokia Italia, e l'Università di Ioannina (Grecia) hanno sviluppato un bolometro piroelettrico a base di grafene che rileva la radiazione infrarossa (IR) misurando minuscole variazioni di temperatura con un livello di precisione elevatissimo. Il lavoro, pubblicato in Comunicazioni sulla natura , dimostra la più alta sensibilità alla temperatura riportata per i rilevatori termici non raffreddati a base di grafene, in grado di risolvere variazioni di temperatura fino a poche decine di µK. Sono necessari solo pochi nano-Watt di potenza di radiazione IR per produrre una variazione di temperatura così piccola in dispositivi isolati, circa 1000 volte inferiore alla potenza IR fornita al rilevatore da una mano umana nelle immediate vicinanze.

L'elevata sensibilità del rivelatore è di grande utilità per applicazioni spettroscopiche oltre all'imaging termico. Con un rivelatore IR a base di grafene ad alte prestazioni che fornisce un segnale forte con meno radiazioni incidenti, è possibile isolare diverse parti dello spettro IR. Questo è di fondamentale importanza nelle applicazioni di sicurezza, dove materiali diversi, come gli esplosivi, possono essere distinti per i loro caratteristici spettri di assorbimento o trasmissione IR.

Dottor Alan Colli, Principal Engineer presso Emberion e co-leader della ricerca, ha detto:"Con un rilevatore di sensibilità più elevata, si può restringere l'ampia banda termica e formare comunque un'immagine utilizzando fotoni in una gamma spettrale molto ristretta e fare immagini IR multispettrali. Per i controlli di sicurezza, ci sono firme specifiche che i materiali emettono o assorbono in bande strette. Così, vuoi un rilevatore che è addestrato in quella banda stretta. Questo può essere utile durante la ricerca di esplosivi, sostanze pericolose, o qualcosa del genere."

I tipici fotorivelatori IR funzionano tramite l'effetto piroelettrico, o come bolometri, che misurano le variazioni di resistenza dovute al riscaldamento. Il bolometro piroelettrico a base di grafene combina entrambi gli approcci con le eccellenti proprietà elettriche del grafene, per le massime prestazioni. Il grafene funge da amplificatore integrato per il segnale, eliminando la necessità di transistor esterni, il che significa nessuna perdita di capacità parassita, e notevolmente a basso rumore. L'elevata conduttività del grafene offre anche un comodo adattamento di impedenza con il circuito integrato di lettura esterna (ROIC) utilizzato per interfacciarsi con i pixel del rilevatore e il dispositivo di registrazione. Con il continuo miglioramento della qualità del grafene (es. maggiore mobilità), dispositivi robusti con un intervallo dinamico esteso (intervallo di temperatura in cui il dispositivo funzionerà in modo affidabile) possono essere fabbricati mantenendo la stessa eccellente risposta alla temperatura.

Prof. Andrea Ferrari, Il direttore del Cambridge Graphene Center e coautore del lavoro ha dichiarato:"Questo lavoro è un altro esempio della marcia costante del grafene sulla tabella di marcia verso le applicazioni. Emberion è una nuova società creata per produrre fotonica ed elettronica di grafene per fotorivelatori a infrarossi e sensori termici , e questo lavoro esemplifica come la scienza e la tecnologia di base possono portare a una rapida commercializzazione." Ferrari è Science and Technology Officer della Graphene Flagship, e presidente del Flagship Management Panel.

Prof. Frank Koppens, coautore dell'opera, è leader della Quantum Nano-Optoelectronics presso ICFO, e guida il pacchetto di lavoro su fotonica e optoelettronica della Graphene Flagship. "Una delle applicazioni più promettenti del grafene è il fotorilevamento e l'imaging a banda larga. La combinazione di rilevamento visibile e infrarosso in un sistema di materiali non è possibile con nessun'altra tecnologia esistente. Il programma Graphene Flagship si baserà ulteriormente su questo lavoro per sviluppare sistemi di imaging iperspettrale, e sfruttando le direzioni in cui il grafene è unico, " Egli ha detto.

Il dottor Daniel Neumaier (AMO, Germany) è il leader della divisione Graphene Flagship Electronics and Photonics Integration e non è stato direttamente coinvolto nel lavoro. Ha affermato:"La dimensione del mercato dei rilevatori IR è aumentata notevolmente negli ultimi due anni e questi dispositivi stanno entrando in sempre più aree di applicazione. In particolare, lo screening spettroscopico di sicurezza sta diventando sempre più importante. Ciò richiede un'elevata sensibilità in condizioni di funzionamento a temperatura ambiente. Il presente lavoro è un enorme passo avanti nel soddisfare questi requisiti nei rivelatori IR a base di grafene".