Les chercheurs du Graphene Flagship ont développé un nouveau détecteur infrarouge (IR) à base de graphène démontrant une sensibilité record pour la détection thermique. Les attributs uniques du graphène ouvrent la voie à une imagerie et à une spectroscopie IR hautes performances.

Les avantages du graphène ouvrent des possibilités dans le domaine de l'imagerie et de la spectroscopie IR hautes performances. Chercheurs du Graphene Flagship, travaillant à l'Université de Cambridge (Royaume-Uni), Emberion Ltd. (Royaume-Uni), l'Institut des sciences photoniques (ICFO; Espagne), Nokia Royaume-Uni, et l'Université d'Ioannina (Grèce) ont développé un bolomètre pyroélectrique à base de graphène qui détecte le rayonnement infrarouge (IR) en mesurant de minuscules changements de température avec un niveau de précision ultra-élevé. L'oeuvre, Publié dans Communication Nature , démontre la sensibilité à la température la plus élevée signalée pour les détecteurs thermiques non refroidis à base de graphène, capable de résoudre des changements de température jusqu'à quelques dizaines de µK. Seuls quelques nano-watts de puissance de rayonnement IR sont nécessaires pour produire une si petite variation de température dans des dispositifs isolés, environ 1000 fois plus petit que la puissance IR délivrée au détecteur par une main humaine à proximité.

La haute sensibilité du détecteur est d'une grande utilité pour les applications spectroscopiques au-delà de l'imagerie thermique. Avec un détecteur IR à base de graphène haute performance qui donne un signal fort avec moins de rayonnement incident, il est possible d'isoler différentes parties du spectre IR. Ceci est d'une importance capitale dans les applications de sécurité, où différents matériaux - tels que les explosifs - peuvent être distingués par leurs spectres d'absorption ou de transmission IR caractéristiques.

Dr Alain Colli, Ingénieur principal chez Emberion et co-responsable de la recherche, a déclaré : « Avec un détecteur à plus haute sensibilité, on peut restreindre la large bande thermique et encore former une image en utilisant des photons dans une gamme spectrale très étroite et faire de l'imagerie IR multispectrale. Pour le contrôle de sécurité, il existe des signatures spécifiques que les matériaux émettent ou absorbent dans des bandes étroites. Donc, vous voulez un détecteur qui est entraîné dans cette bande étroite. Cela peut être utile lors de la recherche d'explosifs, substances dangereuses, ou quoi que ce soit du genre."

Les photodétecteurs IR typiques fonctionnent soit par effet pyroélectrique, ou sous forme de bolomètres, qui mesurent les variations de résistance dues à l'échauffement. Le bolomètre pyroélectrique à base de graphène combine les deux approches avec les excellentes propriétés électriques du graphène, pour des performances maximales. Le graphène agit comme un amplificateur intégré pour le signal, éliminant le besoin de transistors externes - ce qui signifie aucune perte de capacité parasite, et remarquablement peu bruyant. La conductivité élevée du graphène offre également une adaptation d'impédance pratique avec le circuit intégré de lecture externe (ROIC) utilisé pour l'interface avec les pixels du détecteur et le dispositif d'enregistrement. Avec l'amélioration continue de la qualité du graphène (par exemple, mobilité plus élevée), des appareils robustes avec une plage dynamique étendue (plage de température sur laquelle l'appareil fonctionnera de manière fiable) peuvent être fabriqués tout en conservant la même excellente sensibilité à la température.

Prof. Andrea Ferrari, Le directeur du Cambridge Graphene Center et co-auteur de l'ouvrage a déclaré :« Ce travail est un autre exemple de la progression constante du graphène sur la feuille de route vers les applications. Emberion est une nouvelle société créée pour produire de la photonique et de l'électronique au graphène pour les photodétecteurs infrarouges et les capteurs thermiques. , et ce travail illustre comment la science et la technologie fondamentales peuvent conduire à une commercialisation rapide. » Ferrari est le responsable scientifique et technologique du Graphene Flagship, et président du Panel de gestion phare.

le professeur Frank Koppens, co-auteur de l'ouvrage, est leader de la nano-optoélectronique quantique à ICFO, et dirige le groupe de travail Photonique et Optoélectronique du Graphene Flagship. "L'une des applications les plus prometteuses du graphène est la photodétection et l'imagerie à large bande. La combinaison de la détection visible et infrarouge dans un système de matériau n'est possible avec aucune autre technologie existante. Le programme phare du graphène s'appuiera sur ce travail pour développer des systèmes d'imagerie hyperspectrale, et en exploitant les directions où le graphène est unique, " il a dit.

Dr Daniel Neumaier (AMO, Allemagne) est le chef de la division d'intégration électronique et photonique phare du graphène et n'a pas été directement impliqué dans le travail. Il a déclaré :« La taille du marché des détecteurs IR a considérablement augmenté au cours des deux dernières années et ces appareils entrent de plus en plus dans les domaines d'application. En particulier, le contrôle de sécurité spectroscopique devient de plus en plus important. Cela nécessite une sensibilité élevée sous un fonctionnement à température ambiante. Le présent travail est un énorme pas en avant pour répondre à ces exigences dans les détecteurs IR à base de graphène. »