Görüntüleme ve Spektroskopi için Ultra Yüksek Hassasiyetli Grafen Kızılötesi Dedektörleri
Araştırmacı, termal algılama için rekor seviyede hassasiyet gösteren yeni bir grafen bazlı kızılötesi (IR) dedektör geliştirmiştir. Grafenin eşsiz özellikleri, yüksek performanslı IR görüntüleme ve spektroskopinin yolunu açmaktadır.
Grafenin avantajları, yüksek performanslı IR ‘nin önünün açılmasına olanak sağlamıştır. İngiltere’nin Cambridge Üniversitesi (İngiltere), Emberion Ltd. (İngiltere), Fotonik Bilim Enstitüsü (ICFO) (İspanya), Nokia İngiltere ve Ioannina Üniversitesi (Yunanistan) ‘da çalışan Graphene Flagship araştırmacıları, ultra-yüksek doğruluk seviyesinde minik sıcaklık değişimlerini ölçerek kızılötesi IR radyasyonunu algılayan grafen bazlı piroelektrik bolometre geliştirmişlerdir. Nature Communications’ da yayınlanan bu çalışma, sıcaklık değişimlerini birkaç on µK’ e düşürecek kapasitede olan grafen bazlı soğutmasız termal dedektörler için rapor edilen en yüksek sıcaklık hassasiyetini göstermektedir. Yalıtılmış cihazlarda böyle küçük sıcaklık değişimleri üretmek için yalnızca birkaç nanoWatt’lık IR radyasyon gücüne ihtiyaç duyulur, bu bir insan eliyle dedektöre çok yakın mesafede verilen IR gücünden 1000 kat daha küçüktür.
Dedektörün yüksek hassasiyeti termal görüntülemenin ötesinde spektroskopik uygulamalar için de çok kullanışlıdır. Daha az rastlanan radyasyonla güçlü bir sinyal veren yüksek performanslı grafen bazlı IR dedektörü ile IR spektrumunun farklı kısımlarını izole etmek mümkündür. Bu, patlayıcılar gibi farklı maddelerin karakteristik IR absorpsiyonu veya iletim tayfları ile ayırt edilebildiği güvenlik uygulamalarında büyük bir öneme sahiptir.
Emberion’daki baş mühendis ve araştırmanın eş lideri Dr. Alan Colli şunları söylemiştir: “Daha yüksek hassasiyetli dedektör, büyük termal bandı kısıtlayabilir ve yine de çok dar bir spektral aralıktaki fotonları kullanarak bir görüntü oluşturabilir ve çoklu spektral IR görüntüleme yapabilir. Güvenlik taraması için, dar bantlarda absorpsiyonu veya maddelerin yaydığı belirli işaretler vardır. Bu yüzden o dar bantta eğitilmiş bir dedektör istenir. Bu da, patlayıcılar, tehlikeli maddeler ya da benzeri bir şey ararken işe yarayabilir.”
Tipik IR fotodedektörleri, piroelektrik etki yoluyla veya ısıtmadan dolayı dirençte oluşan değişimleri ölçen bolometre olarak çalışır. Grafen bazlı piroelektrik bolometre, maksimum performans için grafenin mükemmel elektriksel özellikleriyle her iki yaklaşımı da birleştirir. Grafen, harici transistör ihtiyacını ortadan kaldırarak sinyal yükseltici görevi görür. Bu oldukça düşük bir gürültü anlamına gelir ve parazitik kapasiteden hiçbir kayıp olmaz. Grafenin yüksek iletkenliği, dedektör pikselleri ile arabirim oluşturmak için kullanılan harici okuma entegreli devre (ROIC) ve kayıt cihazı ile uygun bir empedans(öz direnç) sunar. Grafen kalitesinde sürekli gelişme ile (örneğin daha yüksek mobilite) aynı mükemmel sıcaklık hassasiyetini korurken genişletilmiş dinamik aralığı(cihazın güvenilir şekilde çalışacağı sıcaklık aralığı) olan sağlam cihazlar üretilebilir.
Cambridge Grapfen Merkezi Müdürü ve ortak yazar Prof. Andrea Ferrari “ Bu çalışma, uygulamalara yönelik yol haritasında Grafen’in istikrarlı yürüyüşünün başka bir örneğidir. Emberion, kızılötesi fotodedektörler ve termal sensörler için grafen fotonik ve elektronik üretmek amacıyla yaratılan yeni bir şirkettir ve bu çalışma temel bilim ve teknolojinin nasıl hızlı ticarileşmeye yol açabileceğini örneklendirmektedir.” Demiştir. Ferrari, Graphene Flagship’in Bilim ve Teknoloji Sorumlusu ve Flagship Menagement Panel’in Başkanıdır.
Profesör Frank Koppens, ICFO’de Kuantum Nano-Optoelektronik’in lideridir ve Graphene Flagship’in de Fotonik ve Optoelektronik çalışma paketini yönetmektedir. Profesör bu konu ile ilgili şu şekilde açıklama yapmıştır: “Grafenin en gelecek vadeden uygulamalarından biri Geniş Bantlı Fotodedeksiyon ve Görüntüleme yöntemidir. Bir malzeme sisteminde görünür ve kızılötesi algılamanın birleştirilmesi, mevcut olan diğer herhangi bir teknoloji ile mümkün değildir. Graphene Flagship programı, hiperspektral görüntüleme sistemleri üzerine daha fazla çalışacak ve grafenin eşsiz yönlerinden istifade ederek bu çalışmayı daha da geliştirecek.”
Dr. Daniel Neumaier (AMO, Almanya), Graphene Flagship Elektronik ve Fotonik Entegrasyon Bölümü’nün lideridir fakat çalışmaya doğrudan dahil değildir. Neumaier ise şu şekilde açıklamada bulunmuştur: “IR dedektörlerinin pazar büyüklüğü son birkaç yılda çarpıcı bir şekilde artmıştır ve bu cihazlar giderek daha fazla uygulama alanlarına girmektedir. Özellikle Spektroskopik Güvenlik Taraması daha da önem kazanmaktadır. Oda sıcaklığında yüksek hassasiyet gerektirir. Mevcut çalışma, grafen bazlı IR dedektörlerde bu gereksinimleri karşılama için ileriye atılmış büyük bir adımdır.”
Kaynak : sciencedaily.com
