Универсальный инфракрасный датчик можно получить из графена

Первые образцы графена были получены и исследованы в 2010 году выходцами из России Константином Новоселовым и Андреем Геймом (за эту работу они получили Нобелевскую премию по физике). А в 2018 году была открыта сверхпроводимость графена — его способность преобразовывать тепло в электричество.

Графен — это аллотроп углерода, состоящий из одного слоя атомов, соединенных в двумерную кристаллическую решетку наподобие пчелиных сот. Это основной структурный элемент других аллотропов, включая графит, древесный уголь, фуллерены. Графен обладает особым набором свойств — он примерно в 100 раз прочнее самой прочной стали, при этом его плотность значительно ниже. Также он очень эффективно проводит тепло и электричество.

Но, помимо полезных свойств, у материала есть также особенности, мешающие полноценному применению его на практике. Например, из него сложно сделать полноценный полупроводник, поскольку он не имеет «запрещенной зоны» (область значений энергии в спектре идеального кристалла, которую не могут иметь электроны). Из-за этого применение чистого графена невозможно для производства электроприборов, лазеров, солнечных панелей и т. д. Чтобы решить эту проблему, ученые добавляют к материалу разные примеси, но эти операции сложно выполнимы и зачастую ухудшают природные свойства графена. 

Решение было найдено российскими учеными из МФТИ — они добавили к графену мышьяк и черный фосфор, которые имеют многослойные структуры. Разработку опубликовали в журнале Optics Express. 

Практические эксперименты показали: если сложить графен, фосфор и мышьяк в стопку наподобие бутерброда, то взаимодействие графена с частицами света значительно изменяется. Он начинает поглощать свет в очень широком частотном диапазоне, включая дальнее инфракрасное и терагерцовое излучение.

Датчики дальнего инфракрасного излучения на основе графена способны заменить все подобные существующие приборы. Изображение: SingularityHub

Ученые уже рассчитали параметры для изготовления светочувствительных элементов, которые смогут улавливать дальний инфракрасный свет. Разработка имеет большое практическое применение — датчики инфракрасного излучения широко используются при производстве приборов ночного видения, ракетных систем самонаведения, сенсоров определения сердцебиения и пультов дистанционного управления. Терагерцовое излучение используют для сканирования багажа в системах безопасности (оно считается более безопасным, чем рентгеновское).

По словам исследователей, подобные датчики излучения имеют несколько преимуществ по сравнению с имеющимися приборами — более чистый сигнал с низким уровнем помех, меньше ложных срабатываний и гибкая настройка. В частности, один из авторов работы, Виктор Рыжий, отмечает, что при нужном напряжении, диапазон работы подобного датчика можно изменять без потери качества приема сигнала. Это существенно улучшит работу инфракрасных телескопов, а универсальные фотоприемники на основе графена заменят уже существующие сегодня датчики инфракрасного и терагерцового излучения.