Graphene-based sensor has potential for high-resolution thermal imaging. Sensore basato sul grafene ha un potenziale per la formazione di immagini termiche ad alta risoluzione.
Cambridge researchers break record for sensor thermal sensitivity
The unique electronic properties of graphene can be harnessed in a sensor that could be used for highly sensitive security screening to detect explosives and other hazardous substances, according to research from the Cambridge Graphene Centre. Combining the single-atom-thick carbon with pyroelectric materials, which generate electric fields when heated or cooled, the team has produced a sensor that can detect temperature changes down to a few tens of µK.
The research was part of a European consortium known as the Graphene flagship, which aims to commercialise graphene applications within 10 years. In a paper in Nature Communications, the team describes devices based on pyroelectric substrates onto which a graphene layer is deposited. On top of this is placed a type of electrode known as a ‘floating gate’, which concentrates the temperature change-induced electric field produced by the substrate onto the graphene. This changes the electrical resistance of the material, which is measured as the device output. Devices that measure changes in resistance due to heating are known as bolometers, and the team claims that the combination of pyroelectricity and bolometer activity means that these sensors could be used as pixels in a high-resolution thermal imaging camera.
One particular advantage of using graphene in this system is that it acts as a built-in amplifier for the pyroelectric signal from the substrate, so there is no need for extra transistor-based amplifiers which need to be used in conventional infrared sensors. These amplifiers tend to introduce losses and noise in the sensor circuits, which reduces their sensitivity. “We can build the amplifier directly on the pyroelectric material. So, all the charge that it develops goes to the amplifier. There is nothing lost along the way,” said Dr Alan Colli, co-author of the work, who is from Emberion, a company spun out from Nokia last year to develop x-ray, thermal and infrared camera sensors and a partner in the research, along with Nokia.
The electrical conductivity of the graphene also helps with integrating the sensor with the external readout integrated circuit, Colli added, ensuring that the sensor signal is transmitted as efficiently as possible.
The temperature change detected by the sensor is around 1000 times smaller than that induced by a human hand placed in close proximity, which is the highest reported temperature sensitivity for graphene-based uncooled thermal detectors. This sensitivity means that the sensor can be used for spectroscopy, detecting the narrow bands of the infrared spectrum that are absorbed or emitted by specific chemical groups; conventional IR detectors are not sensitive enough for this.
“With a higher sensitivity detector, you can restrict the band and still form an image just by using photons in a very narrow spectral range, and you can do multi-spectral IR imaging. For security screening, there are specific signatures that materials emit or absorb in narrow bands. So, you want a detector that’s trained in that narrow band. This can be useful while looking for explosives, hazardous substances, or anything of the sort,” explained Colli. Moreover, the detectors can operate in a spectroscopic mode at room temperature, with no need to expose objects being studied to extra heat.
ITALIANO
I ricercatori di Cambridge superano il record per il sensore di sensibilità termica
Le proprietà elettroniche uniche di grafene possono essere sfruttate in un sensore che potrebbe essere utilizzato per lo screening di sicurezza estremamente sensibile per rilevare esplosivi e altre sostanze pericolose, secondo la ricerca effettuata dal Cambridge grafene Center. Combinando il carbonio con singolo atomo di spessore con materiali piroelettrici, che generano campi elettrici quando è riscaldato o raffreddato, il gruppo ha prodotto un sensore in grado di rilevare variazioni di temperatura fino a poche decine di μK.
La ricerca è stata una parte di un consorzio europeo noto come il grafene di punta, che ha lo scopo di commercializzare le applicazioni grafene entro 10 anni. In un documento in Nature Communications, il gruppo descrive i dispositivi basati su substrati piroelettrici su cui uno strato di grafene è depositato. A ciò è posto un tipo di elettrodo noto come ‘gate flottante’, che concentra il campo elettrico indotto dalla variazione di temperatura prodotta dal substrato sul grafene. Questo cambia la resistenza elettrica del materiale, che viene misurata. Dispositivi che misurano variazioni di resistenza dovuta al riscaldamento sono noti come bolometri, e il gruppo conclude che la combinazione di attività di piroelettricità e bolometro significa che questi sensori potrebbero essere utilizzati come pixel in una termocamera ad alta risoluzione.
Un particolare vantaggio di utilizzare grafene in questo sistema è che esso agisce come un amplificatore integrato per il segnale piroelettrico dal substrato, quindi non c'è bisogno di amplificatori esterni a transistor che devono essere utilizzati nei sensori a raggi infrarossi. Questi amplificatori tendono ad introdurre perdite e rumore nei circuiti del sensore, che riduce la loro sensibilità. “Siamo in grado di costruire l'amplificatore direttamente sul materiale piroelettrico. Così, tutta la carica che si sviluppa va all'amplificatore. Non c'è niente di perso lungo la strada “, ha detto il dottor Alan Colli, co-autore del lavoro, che è da Emberion, una società proveniente da Nokia lo scorso anno per sviluppare x-ray, sensori della fotocamere termiche e infrarossi insieme a Nokia.
La conducibilità elettrica del grafene aiuta anche con integrazione del sensore con il circuito integrato di lettura esterna, Colli ha aggiunto, assicurando che il segnale del sensore venga trasmesso nel modo più efficiente possibile.
La variazione di temperatura rilevata dal sensore è circa 1000 volte inferiore a quella indotta da una mano umana posta in prossimità, che è la più alta sensibilità temperatura segnalata per sensori termici non raffreddati basati sul grafene. Ciò significa che la sensibilità del sensore può essere utilizzata per la spettroscopia, rilevare le strette bande dello spettro infrarosso che sono assorbite o emesse da gruppi chimici specifici; i convenzionali rivelatori IR non sono abbastanza sensibili per questo scopo.
“Con un rivelatore di maggiore sensibilità, è possibile limitare l'intervallo e ancora formare un'immagine semplicemente utilizzando fotoni in un campo spettrale molto stretto, e si può fare realizzare immagini IR multi-spettrale. Per lo screening di sicurezza, ci sono le firme specifiche che i materiali emettono o assorbono in bande strette. Quindi, si vuole un rivelatore che funziona in quella banda stretta. Questo può essere utile durante la ricerca di esplosivi, sostanze pericolose, o qualcosa del genere “, ha spiegato Colli. Inoltre, i sensori possono funzionare in una modalità spettroscopica a temperatura ambiente, senza la necessità di esporre oggetti allo studio con un calore supplementare.
Da:
https://www.theengineer.co.uk/graphene-based-sensor-has-potential-for-high-resolution-thermal-imaging/?cmpid=tenews_3227724
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