Видеть в цвете

Снимок сделанный через тепловизор. Фото: Jason McAdoo / Flickr

Тепловизор на графене поместится на контактной линзе и объективе смартфона

Артем Асташенков

17 марта, 2014 12:48

5 мин

Графеновые контактные линзы дадут человеку тепловое зрение. Исследователи из Мичиганского университета разработали миниатюрный инфракрасный детектор, работающий при комнатной температуре. Их статья о принципах работы устройства опубликована в журнале Nature Nanotechnology 16 марта.

Графен — аллотропная модификация углерода, у которой атомы выстраиваются в двумерную кристаллическую решетку. Слой углерода толщиной всего в один атом обладает множеством неожиданных свойств. Среди прочего, графен может выступать детектором одновременно для всего спектра инфракрасного и видимого излучения, а также ультрафиолета.

До сих пор, однако, графен было бессмысленно использовать в разработке тепловизоров. Его ключевая особенность обуславливала и его основной недостаток: один слой атомов углерода улавливает примерно 2,3% попадающего на него света. Этого не хватает, чтобы генерировать электрический сигнал. Иными словами, графеновая пленка «все видит, но сказать не может»: экспериментальные графеновые детекторы демонстрировали чувствительность на два-три порядка ниже, чем у современных коммерческих приборов.

Четверо исследователей из Мичиганского университета — Чжаохуэй Чжон, Чан-Хуа Лю, Ю-Чиа Чан и Теодор Норрис — придумали, как усилить электрические сигналы, подаваемые слоем графена. Вместо того чтобы непосредственно считать электроны, которые освобождаются при поглощении света углеродом, они догадались измерить влияние возникающих в пленке зарядов на протекающий поблизости ток.

Для этого ученые взяли два слоя графена и разделили их слоем изолирующего материала. Верхний слой, как обычно, выступал в роли детектора, а через нижний был пропущен ток. Благодаря квантовым эффектам освободившиеся электроны проникали в нижнюю графеновую пленку. Участки верхнего слоя, получившие благодаря этому положительный заряд, влияли на движение тока через нижний слой.

Яркость падающего на верхний слой света, таким образом, нашла выражение в изменении силы тока в нижнем слое. Ее измерение позволило обнаруживать источники волн среднего инфракрасного диапазона с точностью, сопоставимой с коммерческими приборами, требующими громоздких систем охлаждения. При этом установка, созданная американскими учеными, работала при комнатной температуре и не превышала размером человеческий ноготь.

Ученые утверждают, что устройство достаточно легко миниатюризировать и дальше. «Мы можем сделать всю конструкцию супертонкой. Ее можно нанести на контактную линзу или встроить в мобильный телефон. Это расширит наше зрение, даст новый способ взаимодействия с окружающим миром», — поясняет Чжаохуэй Чжон в пресс-релизе университета. По словам исследователя, это совершенно новый способ обнаружения света, который можно будет применить и к другим материалам и аппаратным платформам.

«Если совсем просто, для инфракрасного теплового излучения — такого же, как видимое, но с большей длинной волны, — из специальных материалов (в основном германия и селенида цинка) делают линзы, и объективом его собирают. Дальше должен быть приемник. Но существующие сейчас приемники, которые работают в видимой области — те, например, с которыми работают матрицы в цифровых фотоаппаратах — не подходят, не чувствительны к этому спектру, — пояснил «Русской планете» заведующий кафедрой прикладной и компьютерной оптики Санкт-Петербургского НИУ Информационных технологий, механики и оптики Алексей Бахолдин. — А с существующими специальными приемниками ситуация следующая. Инфракрасная область — это излучение нагретых тел. Когда это излучение попадает на оправы приемника, оно начинает отражаться и засвечивать сам приемник. Это так называемый нарцисс-эффект. Вместе с внешним изображением на приемнике оказывается и его собственное изображение. Получается очень большой шум, неконтрастная картинка. Именно из-за того, что металлические поверхности оправ переизлучают именно в рабочем интервале спектра, приходится эту энергию забирать — охлаждать весь этот металл». Из-за систем охлаждения традиционные тепловизоры и получаются такими громоздкими.

Бахолдин согласен, что разработка американских ученых, по крайней мере, в теории, является качественно новым приемником. «Если не требуется охлаждения в этом спектральном диапазоне, это будет сильно упрощать конструкцию оптики. Открывается множество новых возможностей», — сказал он.

Тепловизоры наиболее известны благодаря своему военному применению: установленные на военную технику и даже ручное оружие, они позволяют видеть противника в полной темноте и за некоторыми препятствиями, благодаря чему их иногда называют «приборами ночного видения». Кроме того, термальная оптика помогает пожарным искать очаги возгорания в дыму, а врачам — наблюдать за кровообращением.

ТЕГИ

поддержать проект

Для поднятия хорошего настроения, вы можете угостить наших редакторов чашечкой кофе

Маленькая чашка кофе