Ultra Yüksek Hassasiyetli Grafen Dedektörler Geliştirildi!

İngiltere'deki Cambridge Üniversitesi, İngiltere Fototik Bilimler Enstitüsü (ICFO), İspanya, Emberion (Finlandiya), Nokia İngiltere, Yunanistan ve Ioannina Üniversitesi'nde çalışan araştırmacılar ortak çalışma sonucu, ultra yüksek doğruluk derecesinde sıcaklığı ölçmek için kızılötesi (IR) radyasyonu tespit eden, grafen temelli yeni bir piroelektrik bolometre sistemi geliştirdi.

A- A+

06.04.2017 tarihli yazı 10709 kez okunmuştur.

Grafen Araştırma Dedektör Sensör Kızılötesi Radyasyon

Nature Communications'da yayınlanan bu çalışma, sıcaklık değişimlerini birkaç 10μK'ye düşüren grafen esaslı, soğutmasız termal dedektörler için bildirilen en yüksek sıcaklık duyarlılığını göstermektedir. Yalıtılmış cihazlarda böylesine küçük bir sıcaklık değişimi üretmek için yalnızca birkaç nano Watt'lık kızılötesi radyasyon gücüne ihtiyaç duyulur. Yakın mesafedeki insan eliyle detektöre gelen kızılötesi radyasyon gücü yaklaşık 1000 kat daha küçüktür.

► İlginizi Çekebilir: Termal Kamera Nedir?

Piroelektrik Bolometreler

Grafen temelli cihazlar, tek katmanlı grafenin iletken bir kanalı ve üstünde yüzen bir geçiş elektrotu bulunan bir piroelektrik alt tabakadan oluşur. Piroelektrik malzemelerde, sıcaklıktaki değişiklikler materyalin içinde kendiliğinden bir elektrik alanına neden olur. Yüzen elektrot bu alanı, grafen üzerine yoğunlaştırır ve alan cihaz çıktısı olarak ölçülen grafene ait elektrik direncinde değişikliğe neden olur. Tipik kızılötesi fotodetektörler, piroelektrik etki yoluyla veya ısıdan dolayı dirençteki değişimleri ölçen bolometre olarak çalışır. Grafen bazlı piroelektrik bolometreler, mükemmel performans için her iki etkiyi birleştirir ve yüksek çözünürlüklü bir termal görüntüleme kamerasında piksel olarak kullanılabilir.

Entegrasyon

Grafen, sıradan piroelektrik termal dedektörlerde olduğu gibi, harici transistör amplifikatörlerine gerek duymadan piroelektrik sinyal için, dahili bir yükseltici gibi davranır. Bu doğrudan entegrasyon için, harici güç yükseltici devrelere olan bağımlılığı ortadan kaldırarak hiçbir kayıp ve ek gürültü bulunmadığı anlamına gelir.

► İlginizi Çekebilir: Grafen ile 1000 Kat Fazla Akım

Araştırmanın ortak yazarlarından Alan Colli (Emberion); ” Piroelektik materyalden, doğrudan amplifikatör yapabiliriz. Böylece geliştirdiğimiz tüm yükler amplifikatöre gider ve yol boyunca kayıp yaşanmaz ” dedi.

Grafenin bu kullanımı dedektörün piksellerini, harici gösterge entegre devresi (ROIC) ile bütünleştirmek için de büyük bir fayda sağlar. Bunun hakkında Alan Colli; “ROIC'nin giriş empedansını eşleştirmek için, mümkün olduğunca iletken olan bir şey lazım, grafene özgü iletkenlik silikon ile daha fazla bütünleşmeye yardımcı oluyor” dedi. Empedans eşleştirmesi sinyalin olabildiğince verimli şekilde iletilmesini sağlamak için gereklidir. Bu fayda, yüksek iletkenlik ve güçlü alan etkisi kombinasyonu nedeniyle grafene özeldir.

Güvenlik Taraması için Spektroskopi

Yüksek hassasiyet, güvenlik taramasında olduğu gibi termal görüntülemenin de ötesinde spektroskopik uygulamalar için oldukça önemlidir. Mevcut kızılötesi fotodetektörleri, bir sinyal sağlamak için arka plan kızılötesi radyasyonu kullanır ve spektroskopi için pek yararlı değildir. Daha az rastgele ışınım ile mükemmel bir sinyal veren yüksek performanslı bir grafen kızılötesi dedektörü ile kızılötesi spektrumunun farklı kısımlarını izole ederek spektroskopi için kullanmak mümkündür.

Alan Colli konuyla ilgili; “Daha yüksek bir hassasiyete sahip dedektör, bandı kısıtlayabilir ve çok dar bir spektral aralıktaki fotonları kullanarak bir görüntü oluşturabilir ve çoklu spektral kızılötesi görüntüleme yapabilirsiniz. Güvenlik taraması için malzemelerin yaydığı özel işaretler vardır. Bu dar bantlarda malzemelerin yaydığı işaretler için eğitilmiş bir dedektörün olmasını isteyebilirsiniz. Bu, patlayıcıları, tehlikeli maddeleri veya bu tür şeyleri ararken faydalı olabilir “ dedi.

Daniel Neumaier (AMO, Almanya), Graphene Flagship Electronics ve Photonics Integration Division'ın lideri; “ Kızılötesi dedektörlerinin pazar büyüklüğü son birkaç yılda çarpıcı bir şekilde arttı ve bu cihazlar giderek daha fazla uygulama alanına giriyor, özellikle de spektroskopik güvenlik taraması daha da önem kazanıyor “ dedi ve ekledi; “ Oda sıcaklığında herhangi bir çalışma, çalışma sırasında yüksek hassasiyet gerektiriyor. Bu araştırma, bu gereksinimleri grafen tabanlı kızılötesi dedektörlerini karşılamada atılmış büyük bir adım” olduğunu belirtmekte.

Kaynak:

► nanowerk