Это звучит, как часть сюжета фантастического фильма: человек надевает контактные линзы и получает инфракрасное зрение без использования громоздких устройств, покрывающих всё лицо. Но, если верить исследователям из Мичиганского университета, производство таких линз вполне реально.
Для создания инфракрасных контактных линз американские учёные обратились к оптическим возможностям графена. Ещё в 2013 году специалисты корпорации IBM продемонстрировали механизмы фотопроводимости этого материала. Оказалось, что уникальный по своим свойствам материал может быть перспективным инфракрасным детектором.
Графен даёт возможность обнаруживать весь инфракрасный спектр, а также видимый и ультрафиолетовый свет. Впрочем, особенный материал толщиной всего в один атом углерода страдает от этого своего достоинства. Ультратонкий графен может поглощать лишь 2,3% света, падающего на него. Этого недостаточно, чтобы генерировать электрический сигнал, а без сигнала он не может работать как инфракрасный сенсор.
“Проблема нынешнего поколения фотодетекторов на основе графена в том, что их чувствительность, как правило, крайне низкая, – рассказывает доцент кафедры электроники и вычислительной техники Чжаохуэй Чжун (Zhaohui Zhong). – То есть примерно в сто-тысячу раз меньше, чем того требует коммерческое устройство”.
В ходе исследования специалисты из Мичиганского университета разработали новый способ генерации электрического сигнала. Вместо того чтобы ловить электроны, которые высвобождаются, когда свет попадает на материал, они усиливают электрический ток, генерируемый падающим светом.
Для достижения этого усиления учёные поместили изоляционный материал между двумя листами графена. Через нижний лист пропустили электрический ток. Далее, когда свет попадает на верхний лист, графен покидают высвобождающиеся электроны, на их месте образуются дырки. Сами же электроны проникают сквозь изолятор, который был бы непроницаемым для частиц в классической физике, в нижний слой благодаря квантово-туннельному эффекту. Оставшиеся в верхнем слое графена дырки (являющиеся носителями положительного заряда) создают электрическое поле, которое влияет на движение электронов в нижнем слое. В дальнейшем, усиливая происходящее изменение электрического тока, проходящего через нижний слой, учёные судят об освещённости верхнего слоя.
Новое устройство обладает почти такой же чувствительностью, что и традиционные кремниевые фотоматрицы, охлаждённые до сверхнизких температур, но оно при этом работает и при комнатной температуре. Исследователи уже могут производить инфракрасные датчики размером со стандартную контактную линзу.
“Если мы интегрируем устройство в контактную линзу или другую носимую электронику, это расширит возможности зрения, – рассказывает Чжун. – Оно предоставит пользователям новый способ взаимодействия с окружающей средой”. Большинству обывателей известно военное применение инфракрасного видения: оно позволяет солдатам видеть в темноте.
Новую технологию можно применять и в медицине, например, она позволит врачам контролировать приповерхностный кровоток. Инфракрасное видение также поможет “увидеть” очаги возгорания в задымлённом помещении, выявить химические вещества в окружающей среде и даже увидеть наброски Поля Гогена под слоями краски.
Исследование учёных США было подробно описано в издании Nature Nanotechnology.
Автор: Маргарита Паймакова