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Grafeno convierte luz infrarroja en señales eléctricas

Un equipo de investigadores ha desarrollado un dispositivo que utiliza el material de grafeno para detectar la luz infrarroja media y convertirla de manera eficiente en señal eléctrica a temperatura ambiente. Es un avance que podría conducir a mejores sistemas de comunicaciones, cámaras termográficas y otras tecnologías.

Publicado en Nature Materials, el estudio es una colaboración entre los laboratorios de Fengnian Xia, Barton L. Weller Profesor Asociado en Ingeniería y Ciencia y F. Javier Garcia de Abajo del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), España.

La radiación del infrarrojo medio de 8 a 14 micrómetros es extremadamente útil para la obtención de imágenes térmicas y para revelar información espectroscópica específica de moléculas.

Además, dicha radiación puede propagarse en el aire sin pérdidas significativas, lo que indica su tremendo potencial en las comunicaciones en el espacio libre y la detección remota. Sin embargo, los detectores infrarrojos de infrarrojo medio convencionales a temperatura ambiente suelen ser muy lentos debido a la gran capacidad térmica, lo que lleva a una constante de tiempo prolongada para la disipación del calor.

El dispositivo demostrado en este estudio aprovecha las propiedades únicas del grafeno atómico, delgado y altamente conductor, que es una capa única de átomos de carbono, y su plasmón, una cantidad de sus oscilaciones electrónicas colectivas.

«El grafeno es un tipo de material que puede convertir la luz del infrarrojo medio en plasmones y, posteriormente, los plasmones se pueden convertir en calor», dijo Qiushi Guo, Ph.D. Estudiante en el laboratorio de Xia y primer autor del estudio. «Lo que es verdaderamente único acerca del grafeno es que el aumento de la temperatura de los electrones causado por la descomposición de los plasmones es mucho mayor que el de otros materiales».

La resistencia del grafeno es muy insensible a la temperatura a temperatura ambiente, por lo que es difícil detectar eléctricamente la luz del infrarrojo medio, excepto a temperaturas extremadamente frías, lo que significa que no puede integrarse en dispositivos utilizables. Con ese fin, en este trabajo, los investigadores desarrollaron un nuevo dispositivo que cuenta con resonadores plasmónicos de disco de grafeno conectados por nanocintas casi unidimensionales. Puede detectar efectivamente la luz infrarroja media a temperatura ambiente. «Nuestro dispositivo tiene nanoestructuras artificiales que convierten la luz en plasmones y, posteriormente, en calor electrónico», dijo Guo. “Su resistencia también es muy sensible al aumento de temperatura. A diferencia de lo que ocurre en la hoja de grafeno, en las nanocintas de grafeno estrechas, el transporte de electrones depende en gran medida de la energía térmica de los electrones «.

Lo que es más, dijo Guo, es que el dispositivo responde muy rápidamente a las radiaciones del infrarrojo medio. “Los sensores térmicos existentes a temperatura ambiente en general tienen una gran capacidad calorífica y estructuras de aislamiento térmico bien diseñadas. Por lo general, toman milisegundos para calentar. Pero para el grafeno, puede ser súper rápido: un nanosegundo o solo una mil millonésima de segundo «. Esto hace que el detector de grafeno sea muy adecuado para aplicaciones de comunicación de alta velocidad en el espacio libre en el infrarrojo medio, que está fuera del alcance de los microbolómetros convencionales. Operando a temperatura ambiente.

El dispositivo es simple y escalable. Cabe destacar que la huella del dispositivo puede ser incluso más pequeña que la longitud de onda de la luz.

«Ofrece muchas nuevas oportunidades en la fotónica de infrarrojo medio», dijo Xia. «Construyendo una cámara de infrarrojo medio de alta resolución con píxeles de longitud de sub-onda, por ejemplo,  o para integrarla en circuitos fotónicos integrados para habilitar espectrómetros de infrarrojo medio en un solo chip».
Más información: Qiushi Guo et al. Efficient electrical detection of mid-infrared graphene plasmons at room temperature, Nature Materials (2018). DOI: 10.1038/s41563-018-0157-7

Fuente: Yale School of Engineering and Applied Science