Сегодняшние приборы, работающие со средней и дальней частью инфракрасного диапазона, требуют охлаждения до очень низких температур, при которых воздух становится жидкостью, а иногда и ниже…
Охлаждающее оборудование не только дорого, но часто и очень громоздко, что ограничивает применение подобной техники. Инженеры из Мичиганского университета (США) во главе с Чжаохуэй Чжуном (Zhaohui Zhong) попробовали изменить ситуацию, выполнив ИК-детектор на основе графена, и, кажется, успешно обошлись без охлаждения. А отсюда рукой подать до миниатюризации и удешевления таких устройств.
Структура графенового фотодетектора. В работе он напоминает полевой транзистор с двойным затвором, где роль нижнего затвора играет подстилающий кремний (V gb), а верхним затвором является верхний графеновый слой — V gt. (Иллюстрация Zhaohui Zhong et al.)
Зачем нужны приборы, работающие с ИК-лучами, перечислять можно долго. Обнаружение теплоутечек (да хотя бы из домовладений), ночное видение, медицинский мониторинг кровотока, даже выявление химикатов в окружающей среде — всё это вполне удаётся ИК-детекторам.
Однако, помимо дороговизны и неудобства, нынешние ИК-детекторы плохи ещё и тем, что они редко бывают универсальными. Один прибор хорошо видит в ближнем ИК-диапазоне, другой — в среднем, третий — в дальнем. В теории графен в этом смысле много лучше — ведь он улавливает и ИК-излучение, и видимое, и даже ультрафиолет. Однако заставить графен преобразовывать захватываемое им излучение в электричество с нужной эффективностью до сих пор не удавалось; одноатомная толщина позволяла преобразовать в ток не более 2,3% энергии входящего света, остальные фотоны просто проскакивали через графен, не успевая поглотиться. А ведь именно электрический сигнал, вырабатываемый при поглощении фотона, — основа ИК-сенсора.
Чтобы решить проблему, исследователи использовали усилители, отслеживая, как сильно электрические сигналы, возникающие в облучаемом графене, влияют на проходящий ток в приборе поблизости.
В конечном устройстве есть два листа графена, разделённые изолятором. Через нижний слой пропускается ток, в верхний подаются фотоны, выбивая из него электроны и образуя положительно заряженные дырки. Используя квантовые эффекты, возможные только на столь малых толщинных масштабах, что характерны для графеновых листов, выбитые электроны «прыгают» на нижний слой графена, а дырки в верхнем слое порождают электрическое поле, влияющее на протекание электричества через нижний слой. Измеряя колебания этого тока, разработчики делают вывод об излучении, попавшем на верхнюю пластинку.
Итог впечатляет: при комнатной температуре получена чувствительность, сравнимая с той, что имеют криогенные ИК-детекторы. Это не просто «впервые в мире», это прибор, за которым могут последовать революционные изменения в во множестве областей. Устройство, используемое как детектор, уже сейчас меньше ногтя на мизинце, и, по уверениям разработчиков, оно может быть легко уменьшено. Следовательно, большие массивы таких детекторов способны образовывать довольно крупные ИК-камеры, работающие при комнатных температурах.
Г-н Чжун оптимистичен: «Если мы интегрируем наше устройство с контактными линзами или другой носимой электроникой, это расширит ваше зрение». Но дело не только в контактных линзах, позволяющих видеть ночью, до которых ещё несколько лет. Само появление ИК-сенсоров, кои легко «сопрячь» с чем угодно, начиная со смартфонов и кончая фотоаппаратами, бесспорно, серьёзно изменит рынки подобных устройств — едва ли не так же резко, как появление ПК перевернуло рынок компьютеров. Что ещё важнее, в теории графеновые сенсоры могут эффективно работать в более широком диапазоне, что со временем приведёт к универсальному и чуть ли не вседиапазонному сенсору.
