Španělští fyzici a technologové vyrobili kameru, která obsahuje grafen zpracovaný běžnými průmyslovými technologiemi. Kamera je citlivá na daleko širší spektrum světelného záření než dosavadní komerční zařízení a současně dává vyšší signál. Nový postup může být užitečný také při vytváření vysokorychlostních optických komunikačních sítí.
Grafen, jak už je notoricky známo, je forma uhlíku, která je pouze jeden atom silná. Ne nadarmo se mu říká „zázračný materiál“. Jednou z jeho nejvýznamnějších vlastností je velmi vysoká elektrická a tepelná vodivost. Elektrony v grafenu se pohybují rychlostí blížící se rychlosti světla. To ho předurčuje k použití v displejích, dotykových obrazovkách, reproduktorech a podobných elektronických zařízeních. Většina těchto aplikací je však teprve v začátcích, přestože byl grafen objeven už v roce 2004. Problém spočívá v tom, jak jej integrovat do běžných polovodičových výrobních technologií.
Současné elektronické výrobě dominují CMOS (metal-oxide) procesy. Ty kombinují křemík s kovy a izolátory na podložkách, které mohou obsahovat miliardy tranzistorů. Začlenění dalších polovodičů, jako třeba právě grafenu, do CMOS technologií, představuje problém, protože nesoulad mřížkových parametrů mezi různými materiály obvykle znemožňuje růst vysoce kvalitních vrstev jiných polovodičů na křemíku. Pokud se tedy má vytvořit grafenová elektronika, začleněním do CMOS obvodů to nepůjde.
To, že nelze snadno integrovat různé polovodiče, omezuje výkon stávajících CMOS kamer. Kamera v chytrém telefonu rozezná pouze viditelné světlo, protože křemík absorbuje jen světlo ve viditelné oblasti. Pokud je potřeba detekovat infračervené záření, používají se například kamery z indium galium arsenidu. Ty jsou však mnohem dražší, protože je u nich složité spojit snímací obvod s fotodetektorem.
Touto problematikou se zabývají také fyzici z Ústavu fotoniky v Barceloně. V roce 2011 Španělé spolu s dalšími kolegy vyrobili vysoce citlivý fotodetektor jak pro infračervené, tak pro viditelné záření. Technologie spočívala v tom, že k vrstvě grafenu, pokrytého kvantovými tečkami ze sulfidu olova, přidali dvě elektrody. Kvantové tečky jsou obecně ohraničené oblasti polovodiče o rozměrech nanometrů zabudované v objemu polovodiče s širším pásem zakázaných energií. Elektrony nebo díry, které se snaží zaujmout co nejnižší energetickou hladinu, jsou tečkami zachycovány a jejich pohyb je omezen podobně jako u atomů, kde je pohyb elektronů omezen polem kladně nabitého jádra. V kvantové tečce je možno, na rozdíl od přirozeného atomu, ovládat elektronové hladiny volbou materiálu a změnou tvaru a rozměru tečky. Kvantová tečka je tedy vlastně jakýsi umělý atom.
Ve fotodetektorech, vytvořených španělskými fyziky, vytvářely fotony absorbované v kvantových tečkách páry elektron – díra. Elektrony byly zadrženy v kvantových tečkách, zatímco díry se šířily do grafenu. Tím se dramaticky zvýšila elektrická vodivost a podstatně se zvýšila velikost proudu. Jenže ke konstrukci kamery tenkrát ještě nedošlo. Fotodetektor se totiž musí připojit k elektronickému obvodu a kamera musí snímat milion fotodetektorů najednou, takže je potřeba mikroelektronický obvod.
Teď španělský tým zvolil jiný přístup. Umístil grafen na měděnou fólii na povrchu křemíkového CMOS čipu. Čip byl obklopen systémem obvodů ke snímání každého pixelu kamery individuálně. Potom vědci grafen vytvarovali tak, aby tvořil pixely, a na povrch umístili vrstvu kvantových teček. Takto zhotovená kamera může detekovat vlnové délky od 300 nm (blízká ultrafialová) do 2000 nm (krátkovlnná infračervená). I když grafen není použit přímo k absorpci světla, mimořádně vysoká pohyblivost elektronů vytváří silnější signál, který dovoluje detekovat infračervené záření na pozadí šumu. To jiná podobná zařízení nemohou.
Fyzici věří, že nová kamera najde uplatnění v chytrých telefonech, v zabezpečovacích systémech, v autech a v potravinářském a farmaceutickém průmyslu jako součást kontrolních zařízení. Nové zařízení by přitom nemělo být dražší než kamery dnes běžně používané.
Skupina pracuje také na optických spojích na základě grafenu. Ty by mohly zvýšit kapacitu optických komunikačních sítí, a dokonce vést až k optickým počítačům. Přestože v současném stavu limitují kvantové tečky rychlost kamery, grafen sám může absorbovat světlo sice ne příliš efektivně, ale obrovskou rychlostí. Podle Španělů je pro optickou datovou komunikaci potřeba spojit grafen s křemíkovou fotonikou.
Grafenová optoelektronika je pro fyziky velkou výzvou. Podle vědců můžeme stát na prahu nové revoluce, kdy bude vše od optoelektronických prvků v telefonech přes datové přenosové sítě až po datové přenašeče v internetu založeno na grafenu. Jednou z klíčových a zároveň problematických úloh však bude vyvinout výrobní proces vhodný pro masovou výrobu.
Původní práce byla uveřejněna v Nature Photonics.
Mohlo by vás zajímat:
Nové
zařízení pro detekování miniaturních sil
Vědci
vyvinuli nový způsob, jak sledovat objekty zahalené v mlze
Slapové
síly a kvantová mechanika
Vesmírná
radiace na Zemi