Uma equipe de pesquisadores desenvolveu um dispositivo que usa o material grafeno para detectar luz infravermelha média e convertê-la de forma eficiente em sinal elétrico em temperatura ambiente. É um avanço que pode levar a melhores sistemas de comunicação, termovisores e outras tecnologias.
Publicado em Materiais da Natureza , o estudo é uma colaboração entre os laboratórios de Fengnian Xia, Barton L. Weller Professor Associado em Engenharia e Ciência e F. Javier Garcia de Abajo do Instituto de Ciências Fotônicas (ICFO), Espanha.
A radiação infravermelha média de 8 a 14 micrômetros é extremamente útil em imagens térmicas e revelando informações espectroscópicas específicas para moléculas. Além disso, essa radiação pode se propagar no ar sem perda significativa, indicando seu tremendo potencial em comunicações em espaço livre e sensoriamento remoto. Contudo, detectores infravermelhos médios convencionais de temperatura ambiente normalmente são muito lentos devido à grande capacidade térmica, levando a uma constante de tempo longa para dissipação de calor.
O dispositivo demonstrado neste estudo tira proveito das propriedades únicas de alta condutividade, grafeno atomicamente fino, que é uma única camada de átomos de carbono, e seu plasmon - um quantum de suas oscilações eletrônicas coletivas.
"O grafeno é um tipo de material que pode converter luz infravermelha média em plasmons e, posteriormente, os plasmons podem ser convertidos em calor, "disse Qiushi Guo, um Ph.D. estudante no laboratório de Xia e primeiro autor do estudo. "O que é verdadeiramente único sobre o grafeno é que o aumento da temperatura do elétron causado pelo decaimento do plasmon é muito maior do que o de outros materiais"
A resistência do grafeno é muito insensível à temperatura ambiente, como resultado, é difícil detectar eletricamente a luz infravermelha média, exceto em temperaturas extremamente baixas, o que significa que não pode ser integrado a dispositivos utilizáveis. Para esse fim, neste trabalho, os pesquisadores desenvolveram um novo dispositivo que apresenta ressonadores plasmônicos de disco de grafeno conectados por nanofitas quase unidimensionais. Ele pode detectar com eficácia a luz infravermelha média em temperatura ambiente.
"Nosso dispositivo possui nanoestruturas artificiais que convertem luz em plasmons, e, posteriormente, em aquecimento eletrônico, "Disse Guo." Sua resistência também é muito sensível ao aumento da temperatura. Ao contrário da folha de grafeno, em nanofitas de grafeno estreitas, o transporte de elétrons depende fortemente da energia térmica do elétron. "
O que mais, Guo disse, é que o dispositivo responde muito rapidamente às radiações do infravermelho médio. "Os sensores térmicos de temperatura ambiente existentes em geral têm uma grande capacidade de calor e estruturas de isolamento térmico bem projetadas. Eles geralmente levam milissegundos para aquecer. Mas, para o grafeno, pode ser super rápido - um nanossegundo, ou apenas 1 bilionésimo de segundo. "Isso torna o detector de grafeno altamente adequado para aplicações de comunicação em espaço livre de alta velocidade em infravermelho médio, que está além do alcance dos microbolômetros convencionais operando em temperatura ambiente.
O dispositivo é simples e escalonável. Notavelmente, a pegada do dispositivo pode ser ainda menor do que o comprimento de onda da luz. "Ele oferece muitas novas oportunidades em fotônica de infravermelho médio, "Disse Xia." Construir uma câmera de infravermelho médio de alta resolução com pixels de comprimento de onda inferior, por exemplo, ou para ser integrado em circuitos integrados fotônicos para permitir espectrômetros de infravermelho médio em um único chip. "
