University of Maryland
Последние разработки Мэрилендского университета могут стать основой для поколения таких световых датчиков, которые будут способны видеть сквозь кожные покровы, стены и другие предметы. Особые характеристики графена – двумерной формы углерода толщиной в один атом – наделяют датчик-прототип чувствительностью в исключительном по ширине диапазоне волн. Этот диапазон включает в себя полосу таких волн, потенциал применения которых впечатляет, как и сложность, с которой они фиксируются – невидимые человеческому глазу волны диапазона Терагерц.
Вид сверху: широкополосный, сверхскоростной неохлаждаемый датчик, чувствительный к волнам в диапазоне Терагерц.
(μm – микрометр, Cr – хром, Au – золото)
Описание исследования было опубликовано 7-го сентября 2014 г. в онлайн версии журнала Нейче Нанотекнолоджи (Nature Nanotechnology). Ксинган Кай, ведущий автор статьи и аспирант Мэрилендского университета, отметил, что датчик, соответствующий лабораторному прототипу, мог бы найти применение в области Терагерцовых частот в системах мобильной коммуникации, медицинского, химического сканирования, ночного видения и охранных комплексов.
Видимый свет, который освещает объекты вокруг нас, есть не что иное, как очень узкая полоса волн и колебаний. Длинноволновой свет диапазона Терагерц и низкой частоты находится между микроволнами и инфракрасным излучением. Волны в диапазоне Терагерц могут проникать сквозь материалы, которые в нашем обычном понимании являются непрозрачными, например: кожа, пластик, одежда и картон. Его также можно использовать для идентификации химической сигнатуры, которая эмитируется только в диапазоне Терагерц.
В настоящее время реализованы единичные применения Терагерцовых детекторов, и то частично, так как волны этого диапазона сложно фиксировать. В целях поддержания чувствительности большинство детекторов требуют сверх низкого охлаждения (около – 268,89 0С). Существующие же датчики без такого охлаждения очень громоздки, медленны и непозволительно дороги.
Последние неохлаждаемые датчики, разработанные коллективом Мэрилендского университета и их коллегами из университета Монаш в Австралии, таких проблем не знают, так как используют графен – однослойный материал углеродной атомной структуры. Применяя особые свойства графена, разработчики смогли увеличить скорость и обеспечить чувствительность неохлаждаемых датчиков в диапазоне Терагерцовых световых волн.
На основе внедрённой технологии производства под названием «фототермоэлектрический эффект горячего электрона» коллектив исследователей создал прибор «с такой же чувствительностью, как у любого существующего бытового датчика Терагерцового диапазона, только с быстродействием в миллион раз больше», - заявил Майкл Фурер, профессор Мэрилендского и Монашского университетов.
Графен – полоска чистого углерода толщиной в один атом – исключительно подходит для использования в датчиках Терагерцового диапазона: когда электроны внутри сотовой структуры графена захватывают свет, они не отдают тепло решётке, а удерживают эту энергию.
Концепция, лежащая в основе датчика, проста. Электроны графена захватывают свет, нагреваются, но быстро не отдают эту энергию; они остаются горячими, а атомная решётка не нагревается. Такие горячие электроны покидают графен через электрические контакты, как пар выходит из чайника. Контакты датчика – прототипа изготовлены из двух разных металлов, в которых электроны перемещаются с разной скоростью. Неравная проводимость обусловливает разное количество исходящих по контактам электронов, что обеспечивает производство электрического сигнала.
Электрический сигнал определяет наличие волн Терагерцового диапазона под поверхностным слоем таких материалов, которые непрозрачны для человеческого глаза. Мы не можем видеть сквозь кожу; рентгеновские же лучи проникают глубоко до костей, полностью пропуская слои непосредственно под кожными покровами. Волны Терагерцового диапазона «видят» эти промежуточные слои. Быстродействие и чувствительность неохлаждаемых датчиков открывают возможности для будущих исследований таких промежуточных слоев.
