Electrones que sienten el calor en un nuevo tipo de fotodetector de grafeno


Investigadores de EE.UU. han dado a conocer una nueva forma de usar el grafeno para detectar la luz. El equipo basó su trabajo en el grafeno bolómetro infrarrojo y, aunque una primera versión del dispositivo debe ser enfriado a una temperatura muy baja, los nuevos modelos deberían trabajar a temperatura ambiente, dice el equipo. Estos dispositivos podrían encontrar aplicaciones en una amplia gama de áreas, incluyendo la inspección de seguridad en los aeropuertos, tratamiento de imágenes médicas o la radioastronomía en terahercios.

Los esquemas previos para el uso del grafeno como detector de luz, un panal de carbono de sólo un átomo de grosor, se han centrado principalmente en efectos fotoeléctricos o termoeléctricos que diferencian la luz o la temperatura, respectivamente,  convirtiéndolo en señales eléctricas. Por el contrario, un bolómetro es un instrumento que absorbe la luz y la convierte en calor. Este calor afecta a la resistencia eléctrica del material absorbente, y es este cambio el que se mide.

El grafeno podría desempeñar un papel importante en futuros bolómetros, ya que puede absorber la luz en un rango muy amplio de longitudes de onda. Desde el ultravioleta a las partes infrarrojas del espectro electromagnético, y especialmente en el infrarrojo. Es más, los físicos saben que los electrones par en el grafeno sienten débilmente las vibraciones de la red (fonones) en el material. Esto significa que cuando estos electrones absorben luz, se calientan, pero los átomos se mantienen estables. “Esto permite a los electrones  convertirse en mucho más calientes de lo que lo harían si simplemente dieran su calor a los fonones”, explica Michael Führer de la Universidad de Maryland, quien dirigió el desarrollo del nuevo dispositivo.

En su estado normal, sin embargo, la resistencia del grafeno es casi independiente de la temperatura; lo que no es muy útil para hacer un bolómetro. Führer y sus colegas superaron este problema mediante el uso de grafeno bicapa en su dispositivo. Crearon dos puertas eléctricas: una sobre y otra bajo la bicapa. Estas puertas se utilizan para aplicar un campo eléctrico perpendicular a las capas. Hacer esto abre una brecha pequeña en el grafeno, pasando de esta manera de un metal a un semiconductor. El grafeno también está conectado a dos electrodos de oro, que se utilizan para medir su resistencia.

El grafeno bicapa semiconductor tiene una resistencia que depende fuertemente de la temperatura, creando así un bolómetro excelente,” explica Führer.

La versión actual del bolómetro sólo funciona a temperaturas de aproximadamente 6 grados Kelvin, por lo que inicialmente se podría usar en aplicaciones donde se requiera una alta sensibilidad, como en radioastronomía de ondas submilimétricas (terahercios), por ejemplo. Sin embargo, los investigadores están ocupados desarrollando una nueva versión del bolómetro de grafeno que creen podrá trabajar a temperatura ambiente.

El equipo también tiene previsto mejorar la baja temperatura del dispositivo. “El problema que tenemos es que el grafeno bicapa sólo absorbe un pequeño porcentaje de  luz entrante y el material semiconductor es muy resistente, lo que dificulta la lectura de alta frecuencia”, explica Führer. “Estamos tratando de mejorar la absorción de la luz mediante el aprovechamiento de la resonancia plasmónica en el grafeno y también están buscando formas de reducir la resistencia del dispositivo; por ejemplo mediante el uso de electrodos superconductores”.

Los investigadores describen su trabajo en Nature Nanotechnology

Autor: Belle Dumé

Enlace original: Electrons feel the heat in new graphene photodetector

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