p (Phys.org) - Pesquisadores do Centro de Nanofísica e Materiais Avançados da Universidade de Maryland desenvolveram um novo tipo de bolômetro de elétrons quentes, um detector sensível de luz infravermelha, que pode ser usado em uma ampla gama de aplicações, desde a detecção de armas químicas e bioquímicas à distância e uso em tecnologias de imagem de segurança, como scanners corporais de aeroportos, à análise química em laboratório e ao estudo da estrutura do universo por meio de telescópios aprimorados. p Os pesquisadores UMD, liderado pelo Pesquisador Associado Jun Yan e pelos professores Michael Fuhrer e Dennis Drew, desenvolveu o bolômetro usando grafeno de duas camadas - duas folhas de carbono de espessura atômica. Devido às propriedades únicas do grafeno, espera-se que o bolômetro seja sensível a uma ampla gama de energias de luz, variando de frequências terahertz ou ondas submilimétricas, passando pelo infravermelho até a luz visível.

p O bolômetro de elétrons quentes de grafeno é particularmente promissor como um rápido, confidencial, e detector de baixo ruído de ondas submilimétricas, que são particularmente difíceis de detectar. Como esses fótons são emitidos por moléculas interestelares relativamente frias, A astronomia submilimétrica estuda os estágios iniciais da formação de estrelas e galáxias, observando essas nuvens interestelares de moléculas. Detectores sensíveis de ondas submilimétricas estão sendo buscados para novos observatórios que irão determinar os desvios para o vermelho e massas de galáxias jovens muito distantes e permitir estudos da energia escura e o desenvolvimento da estrutura do universo.

p As descobertas da equipe de Maryland foram publicadas na edição de 3 de junho da Nature Nanotechnology .

p A maioria dos detectores de fótons é baseada em semicondutores. Semicondutores são materiais que possuem uma gama de energias que seus elétrons são proibidos de ocupar, chamado de gap de banda. Os elétrons em um semicondutor podem absorver fótons de luz com energias maiores do que a energia do gap, e essa propriedade forma a base de dispositivos como células fotovoltaicas.

p Grafeno, um único plano de grafite com a espessura de um átomo, é único por ter um bandgap de energia exatamente zero; o grafeno pode, portanto, absorver fótons de qualquer energia. Esta propriedade torna o grafeno particularmente atraente para a absorção de fótons de energia muito baixa (terahertz e infravermelho) que passam pela maioria dos semicondutores. O grafeno tem outra propriedade atrativa como absorvedor de fótons:os elétrons que absorvem a energia são capazes de retê-la de forma eficiente, em vez de perder energia para as vibrações dos átomos do material. Essa mesma propriedade também leva a uma resistência elétrica extremamente baixa no grafeno.

p Pesquisadores da Universidade de Maryland exploraram essas duas propriedades para criar o bolômetro de elétrons quentes. Ele funciona medindo a mudança na resistência que resulta do aquecimento dos elétrons à medida que eles absorvem a luz.

p Normalmente, a resistência do grafeno é quase independente da temperatura, inadequado para um bolômetro. Então, os pesquisadores de Maryland usaram um truque especial:quando o grafeno de dupla camada é exposto a um campo elétrico, ele tem uma pequena lacuna de banda, grande o suficiente para que sua resistência se torne fortemente dependente da temperatura, mas pequeno o suficiente para manter sua capacidade de absorver fótons infravermelhos de baixa energia.

p Os pesquisadores descobriram que seu bolômetro de elétrons quentes de grafeno de dupla camada operando a uma temperatura de 5 Kelvin tinha sensibilidade comparável aos bolômetros existentes operando em temperaturas semelhantes, mas foi mais de mil vezes mais rápido. Eles extrapolaram o desempenho do bolômetro de grafeno para reduzir a temperatura e descobriram que ele pode superar todas as tecnologias existentes.

p Alguns desafios permanecem. O bolômetro de grafeno de duas camadas tem uma resistência elétrica mais alta do que dispositivos semelhantes que usam outros materiais, o que pode dificultar o uso em altas frequências. Adicionalmente, o grafeno de duas camadas absorve apenas uma pequena porcentagem da luz incidente. Mas os pesquisadores de Maryland estão trabalhando em maneiras de contornar essas dificuldades com novos designs de dispositivos, e estão confiantes de que o grafeno tem um futuro brilhante como material fotodetector.