Aprovechando las propiedades únicas del grafeno, ingenieros de la Escuela de Ingeniería SAMUELI de la UCLA, han inventado un nuevo tipo de fotodetector capaz de operar con más tipos de luz y a niveles más bajos que las actuales tecnologías de fotodetección.
El nuevo fotodetector opera en una amplia gama del espectro electromagnético de la luz, procesa imágenes más rápidamente y es más sensible a los bajos niveles de luz que las tecnología actuales.
Los fotodetectores son sensores de luz; así por ejemplo en cámaras y otros dispositivos detectan patrones de partículas elementales denominadas fotones y crean imágenes a partir de ellos. Diferentes fotodetectores están diseñados para detectar diferentes parte del espectro de la luz. Por ejemplo, los fotodetectores que se utilizan en el desarrollo de gafas de visión nocturna para detectar la radiación térmica que es invisible a simple vista. Otros se utilizan en cámaras o dispositivos que identifican productos químicos en el medio ambiente por la forma en que estos reflejan la luz.
Cuán versátiles y útiles sean los fotodetectores depende en gran medida de tres factores: su velocidad de funcionamiento, su sensibilidad a niveles más bajos de luz y la cantidad del espectro que puedan detectar. Normalmente, cuando los ingenieros han intentando mejorar la capacidad de un fotodetector en cualquiera de esas áreas, al menos una de las otras capacidades se han visto perjudicadas.
El fotodetector diseñado por la UCLA tiene importantes mejoras en las tres áreas: opera a lo largo de una amplio rango del espectro de la luz, procesa imágenes de forma más rápida y es más sensible para niveles bajos de luz que las actuales tecnologías.
“Nuestro fotodetector podría ampliar el alcance y los usos potenciales de estos en sistemas de imágenes y de detección”, comentó Mona Jarrahi, profesora de Ingeniería Eléctrica, quien dirigió el estudio. “Podría mejorar drásticamente las imágenes térmicas para la visión nocturna en aplicaciones de diagnósticos médicos donde las sutiles diferencias de temperatura pueden brindar a los médicos mucha información sobre sus pacientes. También podría utilizarse en tecnologías de detección ambiental para identificar con mayor precisión la concentración de contaminantes”.
Utilización del Grafeno
El nuevo fotodetector aprovecha las propiedades únicas del grafeno, un material ultrafino compuesto por una sola capa de átomos de carbono. El grafeno es un material excelente para detectar fotones ya que puede absorber energía de una amplía franja del espectro electromagnético, desde la luz ultravioleta hasta la luz visible e infrarroja. El grafeno es también un buen conductor para la corriente eléctrica – los electrones pueden fluir a través de él sin impedimentos.
Para el desarrollo del fotodetector, los investigadores colocaron tiras de grafeno sobre una capa de dióxido de silicio, que a su vez cubre una base de silicio. Luego, crearon una serie de patrones a nanoescala tipo “peine”, hechos de oro, con “dientes” de unos 100 nanómetros de ancho.
El grafeno actúa como una red para atrapar los fotones entrantes y luego convertirlos en una señal eléctrica. Los nano-patrones con formas de peine transfieren rápidamente esa información a un procesador, que a su vez produce una imagen correspondiente de alta calidad, incluso en condiciones de poca luz.
«Diseñamos específicamente las dimensiones de las nanoestrías de grafeno y sus parches metálicos de modo que la luz entrante visible y la luz infrarroja estén estrechamente confinadas dentro de ellos», dijo Semih Cakmakyapan, investigador postdoctoral de UCLA y autor principal del estudio. «Este diseño produce de manera eficiente una señal eléctrica que sigue variaciones ultrarrápidas y sutiles en la intensidad de la luz en todo el rango espectral, desde visible hasta infrarrojo».
Créditos Imágenes: Jarrahi Research Group/UCLA
