p O grafeno - uma folha de carbono com a espessura de um átomo - tem sido apresentado como um novo material maravilhoso:é mais forte do que o aço e conduz eletricidade melhor do que o cobre. p No jornal Nature Nanotechnology hoje, meus colegas e eu mostramos como o grafeno pode ser usado para construir um detector de luz de longo comprimento de onda (infravermelho distante ou terahertz) que é tão sensível quanto qualquer detector existente, mas muito menor e mais de um milhão de vezes mais rápido. O detector pode melhorar os óculos de visão noturna, ferramentas de análise química e scanners corporais de aeroportos.

p Mas antes de iniciar a pesquisa, Eu gostaria de falar sobre como passamos da descoberta de um novo material maravilhoso, como o grafeno, para novas tecnologias que são úteis.

p Como pesquisador trabalhando em novos materiais, Constantemente me perguntam "para que isso é bom?" Para responder a isso, a primeira coisa que nós, pesquisadores, costumamos tentar é imaginar o novo material como um substituto para um existente em uma tecnologia existente.

p O problema com essa abordagem é que qualquer tecnologia existente tem muito ímpeto. Por exemplo, considere processadores de computador. Os elétrons do grafeno se movem cerca de 70 vezes mais rápido do que os do silício (usados ​​na maioria dos processadores de computador hoje) nas mesmas condições, portanto, o grafeno pode ser usado para fazer chips de computador mais rápidos.

p Mas não é tão simples. Existem muitas razões pelas quais usamos o silício, além da velocidade com que os elétrons viajam - ele forma prontamente um revestimento de óxido forte e é fácil de dopar, para citar alguns. E mudar para um material radicalmente diferente significaria jogar fora toda a infraestrutura usada para fazer chips de silício que foram desenvolvidos com enormes despesas nas últimas décadas.

p Portanto, uma pergunta melhor - embora muito mais difícil de responder - é perguntar o que um novo material pode nos capacitar a fazer que nenhum outro material fez antes. As respostas a essa pergunta nem sempre vêm imediatamente, e às vezes eles vêm por acaso.

p Duas camadas são melhores do que uma

p Uma propriedade do grafeno que me interessou foi que o grafeno de duas camadas (duas camadas empilhadas uma sobre a outra) tem um bandgap - a propriedade básica de um semicondutor - que pode ser ajustado aplicando um campo elétrico ao material.

p Eu me juntei a pesquisadores da Universidade de Maryland para tentar medir esse bandgap usando luz infravermelha, já que os fótons infravermelhos têm energias semelhantes ao bandgap do grafeno de duas camadas. Quando medimos a condutância do nosso grafeno de duas camadas sob iluminação infravermelha, descobrimos que mudou muito mais do que esperávamos.

p Na verdade, a mudança na condutância em nosso grafeno foi maior do que a do fotodetector comercial de silício que estávamos usando para medir a potência de nosso feixe infravermelho! Por algum motivo, nosso grafeno era um excelente fotodetector.

p Sabíamos o suficiente sobre o grafeno para descobrir o que estava acontecendo. Quando os elétrons do grafeno absorvem luz, eles esquentam. Na maioria dos materiais, os elétrons perdem energia rapidamente para as vibrações dos átomos, que sentimos como calor.

p Mas no grafeno este processo de perda de calor é muito ineficiente, o que dá ao grafeno sua condutividade elétrica extraordinariamente alta. O que percebemos é que o grafeno de duas camadas com um bandgap tem uma condutância que varia fortemente com a temperatura do elétron, permitindo-nos ler a mudança na temperatura do elétron causada pela luz que aquece os elétrons.

p Esse dispositivo é chamado de "bolômetro de elétrons quentes" e o grafeno de duas camadas é um muito bom. Publicamos nosso resultado na revista Nature Nanotechnology em 2012, e vários grupos de pesquisa estão interessados ​​no desenvolvimento de bolômetros de grafeno como detectores criogênicos extremamente sensíveis para uso em radioastronomia.

p Infelizmente, o efeito bolométrico só funciona bem em baixa temperatura, onde a resistência do grafeno de duas camadas muda fortemente com a temperatura. Mas sabíamos, por meio de nossas medições, que os efeitos do elétron quente deveriam ser importantes no grafeno à temperatura ambiente.

p Nossa equipe projetou um dispositivo que poderia medir os elétrons quentes à temperatura ambiente, usando um efeito chamado termoeletricidade. Nossos primeiros detectores fototermoelétricos de grafeno eram comparáveis ​​em sensibilidade aos melhores detectores de luz de temperatura ambiente disponíveis no infravermelho distante, ou terahertz, regime do espectro eletromagnético, e vimos espaço para melhorias de ordens de magnitude na sensibilidade com novos designs.

p Interessantemente, nossos dispositivos eram mais de um milhão de vezes mais rápidos do que esses detectores, e são esses resultados que publicamos hoje, mais uma vez em Nature Nanotechnology .

p O grafeno nos mostra a luz

p A detecção de luz infravermelha e terahertz tem vários usos, de análises químicas a óculos de visão noturna e scanners corporais usados ​​na segurança de aeroportos.

p Mas desde um ultrarrápido, detector de terahertz sensível nunca foi considerado uma possibilidade antes, é difícil dizer onde nossos dispositivos podem ser aplicados.

p Nosso detector pode ser usado para acelerar técnicas de análise química, como espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier, ou FTIR.

p Como o detector de grafeno é facilmente microfabricado, imaginamos matrizes de pixels detectores adequados para geração de imagens, o que pode resultar em câmeras infravermelhas ou óculos de visão noturna baratos.

p Nossos cálculos mostram que o efeito fototermoelétrico de elétrons quentes pode ser um meio eficiente de coletar energia da luz. Talvez nossos dispositivos possam ser usados ​​para reunir a luz infravermelha que escapa da Terra para o céu noturno, e transformá-lo em eletricidade. Talvez sejam usados ​​para algo que ainda nem pensamos.

p Mas nunca tínhamos decidido investigar um novo material simplesmente para entender como ele funciona, nunca teríamos descoberto essas novas respostas para a pergunta, "para que serve?" p Esta história foi publicada como cortesia de The Conversation (sob Creative Commons-Atribuição / Sem derivados).