Usando il grafene, uno dei materiali più versatili della scienza, gli ingegneri della UCLA Samueli School of Engineering hanno inventato un nuovo tipo di fotorilevatore che può funzionare con più tipi di luce rispetto alle sue attuali controparti all'avanguardia. Il dispositivo ha anche capacità di rilevamento e imaging superiori.

I fotorilevatori sono sensori di luce; in fotocamere e altri dispositivi di imaging, percepiscono modelli di particelle elementari chiamate fotoni, e creare immagini da quei modelli. Diversi fotorivelatori sono costruiti per rilevare diverse parti dello spettro luminoso. Per esempio, i fotorilevatori vengono utilizzati negli occhiali per la visione notturna per rilevare le radiazioni termiche invisibili a occhio nudo. Altri sono utilizzati nelle fotocamere che identificano le sostanze chimiche nell'ambiente in base al modo in cui riflettono la luce.

La versatilità e l'utilità dei fotorilevatori dipende in gran parte da tre fattori:la loro velocità di funzionamento, la loro sensibilità ai livelli più bassi di luce, e quanto dello spettro possono percepire. Tipicamente, quando gli ingegneri hanno migliorato le capacità di un fotorilevatore in una di queste aree, almeno una delle altre due capacità è stata ridotta.

Il fotorilevatore progettato dal team dell'UCLA presenta importanti miglioramenti in tutte e tre le aree:funziona su un'ampia gamma di luce, elabora le immagini più rapidamente ed è più sensibile ai bassi livelli di luce rispetto alla tecnologia attuale.

"Il nostro fotorilevatore potrebbe estendere la portata e i potenziali usi dei fotorilevatori nei sistemi di imaging e rilevamento, " disse Mona Jarrahi, professore di ingegneria elettrica e informatica, che ha condotto lo studio. "Potrebbe migliorare notevolmente l'imaging termico nella visione notturna o nelle applicazioni di diagnosi medica in cui sottili differenze di temperatura possono fornire ai medici molte informazioni sui loro pazienti. Potrebbe anche essere utilizzato nelle tecnologie di rilevamento ambientale per identificare in modo più accurato la concentrazione di inquinanti".

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Luce:scienza e applicazioni .

Il nuovo fotorivelatore sfrutta le proprietà uniche del grafene, un materiale supersottile costituito da un singolo strato di atomi di carbonio. Il grafene è un materiale eccellente per rilevare i fotoni perché può assorbire energia da un'ampia fascia dello spettro elettromagnetico, dalla luce ultravioletta alla luce visibile fino alle bande dell'infrarosso e delle microonde. Il grafene è anche un ottimo conduttore di corrente elettrica:gli elettroni possono attraversarlo senza impedimenti.

Per formare il fotorilevatore, i ricercatori hanno posato strisce di grafene su uno strato di biossido di silicio, che a sua volta ricopre una base di silicio. Quindi, hanno creato una serie di modelli su nanoscala simili a pettini, fatto di oro, con "denti" larghi circa 100 nanometri.

Il grafene funge da rete per catturare i fotoni in arrivo e quindi convertirli in un segnale elettrico. I nanopattern dorati a forma di pettine trasferiscono rapidamente tali informazioni in un processore, che a sua volta produce un'immagine corrispondente di alta qualità, anche in condizioni di scarsa illuminazione.

"Abbiamo progettato specificamente le dimensioni delle nanostrisce di grafene e delle loro toppe metalliche in modo tale che la luce visibile e infrarossa in entrata sia strettamente confinata al loro interno, " disse Semih Cakmakyapan, uno studioso postdottorato UCLA e l'autore principale dello studio. "Questo design produce in modo efficiente un segnale elettrico che segue variazioni ultraveloci e sottili nell'intensità della luce sull'intera gamma spettrale, dal visibile all'infrarosso."