El investigador de la Universidad de Florida Central (UCF), Debashis Chand, profesor del Centro de Tecnología de Nanociencia de la UCF, ha desarrollado una nueva técnica para detectar fotones infrarrojos de onda larga (LWIR) de diferentes longitudes de onda o “colores”.
El estudio fue publicado recientemente nano letraUna revista publicada por la Sociedad Química Estadounidense.
La nueva técnica de detección e imágenes tendrá aplicaciones en el análisis de materiales por sus propiedades espectrales, o imágenes espectroscópicas, así como aplicaciones de imágenes térmicas.
Los humanos perciben los colores primarios y secundarios pero no la luz infrarroja. Los científicos plantean la hipótesis de que las serpientes o las especies nocturnas pueden detectar diferentes longitudes de onda en el infrarrojo de la misma manera que los humanos perciben los colores.
La detección infrarroja, especialmente LWIR, a temperatura ambiente ha sido un desafío de larga data debido a la débil energía de los fotones, dijo Chanda.
Los detectores LWIR se pueden clasificar en términos generales en detectores enfriados o enfriados, dijeron los investigadores.
Los detectores refrigerados destacan por su alta detectividad y tiempos de respuesta rápidos, pero su dependencia del enfriamiento criogénico aumenta significativamente su costo y limita su aplicación práctica.
Por el contrario, los detectores no refrigerados, como los microbolómetros, pueden funcionar a temperatura ambiente y tienen un coste relativamente bajo, pero presentan una baja sensibilidad y tiempos de respuesta lentos, afirmó Chanda.
Ambos tipos de detectores LWIR carecen de sintonización espectral dinámica y, por lo tanto, no pueden distinguir diferentes longitudes de onda de fotones de “color”.
Chanda y su equipo de investigadores postdoctorales buscaron expandirse más allá de las limitaciones de los detectores LWIR existentes, por lo que trabajaron para demostrar un método altamente sensible, eficiente y dinámicamente estable basado en un grafeno con nanomodelos.
Tianyi Guo ’23PhD es el autor principal del estudio. Guo completó su doctorado en la UCF en 2023 bajo la tutoría de Chand. Recibió un Premio Internacional de Tesis de Springer Nature y su tesis que explora posibles métodos de detección LWIR se publicó en la Springer Thesis Book Series.
Este método recién descubierto es la culminación de la investigación realizada por Guo, Chanda y otros en el laboratorio de Chanda, dijo Chanda.
“Ningún detector actual, refrigerado o no, ofrece una capacidad de sintonización espectral tan dinámica y una respuesta ultrarrápida”, afirma Chanda. “Esta demostración subraya el potencial de los detectores LWIR de grafeno monocapa diseñados que funcionan a temperatura ambiente, proporcionando alta sensibilidad y sintonizabilidad espectral dinámica para imágenes espectroscópicas”.
El detector se basa en la diferencia de temperatura de los materiales dentro de una película de grafeno con patrón asimétrico (conocido como efecto Seebeck). Tras la iluminación y la interacción de la luz, la mitad estampada forma el portador caliente con una absorción muy mejorada, mientras que la mitad sin patrón permanece más fría. La difusión de portadores calientes produce un voltaje fototermoeléctrico y se mide entre los electrodos fuente y drenaje.
Al modelar el grafeno en una matriz especial, los investigadores lograron una mayor absorción y pudieron sintonizar más electrostáticamente el rango del espectro LWIR y proporcionar una mejor detección infrarroja. El detector supera significativamente las capacidades de los detectores infrarrojos convencionales no refrigerados, también conocidos como microbolómetros.
“La plataforma de detección propuesta allana el camino para una nueva generación de fotodetectores LWIR basados en grafeno para una amplia gama de aplicaciones como la electrónica de consumo, la detección molecular y el espacio, por nombrar algunas”, dijo Chanda.
Los investigadores del grupo de Chander incluyen a los académicos postdoctorales Aritra Biswas ’21MS ’24PhD, Sayan Chandra, Arindam Dasgupta y Muhammad Waqas Shabbir ’16MS ’21PhD.
Otorgada hace casi dos años, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa es el resultado de un proyecto de 1,5 millones de dólares financiado a través del Programa de Capacidades de Imágenes de Fotones Extremos de la agencia.