Графеновые контактные линзы могут сделать людей раками.
Графеновые технологии стали прорывными для систем видения. Уже скоро появятся возможность производить умные контактные линзы или другие сверхтонкие устройства со встроенной камерой инфракрасного тепловизора. Соединив в один сэндвич два слоя графена, инженеры Мичиганского университета создали ультраширокополосный инфракрасный графеновый датчик изображения. Он «зряч» в диапазоне от видимого света до средних инфракрасных волн. Особенно ценное качество этого устройства – способность хорошо работать при комнатной температуре.
Графен имеет волшебное свойство: когда в него попадает фотон (частица света), электрон графена поглощает световую энергию фотона и излучает ее в виде тепловой энергии. Это тепловое излучение можно измерить, обработать и превратить в изображение объекта, от которого отразился попавший в графен фотон. Однако, графен очень тонок: толщиной в один атом. К тому же, графен почти прозрачен: он поглощает всего 2,3% света, который на него падает. Поэтому фотонов на графен падает так мало, что нагрев электронов от этого количества фотонов практически невозможно уловить.
Группа под руководством Чжаохуэй Чжуна из Мичиганского университета нашла способ решить эту проблему. Верхний слой графена они использовали в качестве основного фотодетектора. К верхнему слою графена снизу они прикрепили слой диэлектрика, а под диэлектриком поместили еще один слой графена.
Когда свет попадает на верхний слой графена, горячие электроны туннелируются сквозь диэлектрик на нижний слой графена, создавая там электрический заряд. По сути, получился фототранзистор, который посредством туннельного эффекта преобразует небольшое количество поглощенных верхним слоем графена фотонов в электрический ток. Сила электрического тока фототранзистора, изобретенного в Мичиганском университете, составляет около одного ампера на ватт световой энергии. Это в 100 раз чувствительнее, чем просто слой графена. То есть графеновый фототранзистор показал примерно такую же чувствительность, что и полупроводниковые КМОП-микросхемы сенсорных датчиков изображения для цифровых камер.
Прототип устройства, созданный группой Чжуна, имеет размер острия булавки и легко может стать еще меньше. Диапазон чувствительности этого устройства превосходит полупроводниковые аналоги. Кремниевый датчик смартфона реагирует только на видимый свет, а графеновый фототранзистор из Мичигана «видит» объекты в диапазоне от ультрафиолетового излучения до середины инфракрасной области. Вполне возможно, что в будущем графеновое устройство станет «зрячим» и во всем инфракрасном диапазоне.
В настоящее время есть технологии видения, работающие в широком диапазоне – от ультрафиолета до инфракрасного. Но они обычно требуют громоздкого криогенного оборудования, потому что при комнатной температуре работать не могут. Графеновый фототранзистор в этом же диапазоне функционирует при комнатной температуре.
Пожалуй, более тонким и ультра-легким смартфоном на графеновых фототранзисторах нас уже не удивишь. Зато воображение современного любителя гаджетов могли бы поразить умные контактные линзы, которые помогали бы с потрясающей четкостью видеть мир в видимом свете, в ультрафиолете, как пчелы и бабочки, и в темноте инфракрасным зрением, как змеи, комары и клопы. Тогда люди по качеству зрения приблизились бы к ракам-богомолам – именно эти существа обладают самыми совершенными в природе глазами. В отличие от нас, раки видят не семь цветов радуги, а двенадцать, причем в диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового, да еще и поляризованный свет.
Правда, раки не умеют фотографировать. А графеновые контактные линзы были бы способны делать еще и снимки по мысленной команде их хозяина. Звучит заманчиво, да?
Графен – что за фрукт
Графе́н (англ. graphene) – двумерный кристалл, состоящий из атомов углерода. Фактически это слой из атомов углерода толщиной в один атом – первый полученный человеком наноматериал. Графен можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. Он обладает уникальными свойствами: повышенной прочностью, проводит электричество так же хорошо, как медь, превосходит все известные материалы по теплопроводности, прозрачен для света, но при этом достаточно плотный, чтобы не пропустить даже молекулы гелия — самые мелкие из существующих молекул. Всё это делает его перспективным материалом для создания сенсорных экранов, световых панелей и, возможно, солнечных батарей.
Как получить слой графена
Графен хорошего качества получают в условиях научных лабораторий путем механического отшелушивания слоёв графита. Фактически это ручной труд, непригодный для промышленных масштабов. Именно таким способом графен впервые оказался в руках его первооткрывателей Андрея Гейма и Константина Новоселова, за что их наградили в 2010 году Нобелевской премией по физике.
Гейм и Новоселов обратили внимание на обычный скотч, с помощью которого готовят образцы графита для работы на сканирующем туннельном микроскопе. Скотч отрывает графитные слои, оставляя абсолютно гладкую поверхность. Ленту выбрасывают вместе с тем, что к ней прилипло. «За то, что мы ее подобрали и исследовали, нас обозвали garbage scientists — мусорными учеными», – смеется Новоселов. Склеивая и разлепляя ленту с хлопьями графита несколько раз, Новоселов получил то, что считалось невозможным, – слои графита толщиной в один атом. Их площадь достигала одного квадратного миллиметра.
КМОП-микросхемы
КМОП (Комплементарная [структура] Металл-Оксид-Полупроводник, в английском варианте CMOS –Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) – технология построения электронных схем. КМОП-схемы обладают более высокой скоростью действия и меньшим энергопотреблением, при этом более сложны в производстве, имеют меньшую плотность упаковки. Используются в подавляющем большинстве современных логических микросхем.
Поляризованный свет
Поляризованный свет – свет, колебания электрического и магнитного полей которого происходят только в одном, выделенном, направлении, лежащем в плоскости, перпендикулярной распространению света. Электромагнитные колебания неполяризованного света могут происходить во всех направлениях, которых в плоскости, перпендикулярной распространению света, есть бесконечное множество. Линейно поляризованный свет возникает, например, при его отражении от стеклянного окна или от поверхности воды, при прохождении света через некоторые виды кристаллов, например, кварца, турмалина или кальцита. Поляризационный материал используется в поляризующих солнцезащитных очках для того, чтобы ослабить яркий свет путем отведения света, поляризующегося при отражении.