Quad Band infraröd detektor baserad på Graphene / Silicon heterostruktur

Ny teknik, såsom den quadband-fotodetektor som utvecklats av Chalmers som använder enlagersgrafen, var av särskilt intresse i detta sammanhang och potentialen för simultan flervåglängddetektering i infraröda band. Detta skulle kunna förbättra automatiserad termografisk icke destruktiv testning (NDT) för metallövervakning av flygkomponenter och användas inom andra industriella tillämpningar.

För Sverige som nation, med tonvikt på högvärdetillverkning, kommer en sådan automatisering med hjälp av Industry 4.0-teknik och skapande av smart produktion att leda till ökad konkurrenskraft.

Tre aktörer har ingått i denna genomförbarhetsstudie. GKN som var övergripande projektledare. Chalmers skulle validera detektorns prestanda. Termisk Systemteknik har utfört simuleringar på effekterna av multi-bandavkänning i termografi med avseende på defektsdetektering och temperaturmätning. Fyra arbetspaket ingick: Tillverkning och karaktärisering av en enstaka pixeldetektor har skett i Chalmers cleanroom. Simuleringsmodellbyggnad och testning har utförts av Termisk Systemteknik. Regelbundna projektmöten har hållits under projektets gång och alla resultat har delats mellan parterna.

Effekter och resultat

En simuleringsmodell har tagits fram och simuleringar har genomförts för att studera hur den tänkta grafensensorn skulle kunna nyttiggöras inom termografisk oförstörande provning (OFP). Genom simuleringar har vi kunnat studera variationer i temperatur, emissivitet, bakgrundsstrålning och mätning, och vi har kunna dra slutsatser kring hur sensorns prestanda påverkar mätresultatet jämfört med andra störningar.

Vi har tillverkat infraröda detektorer baserat på Grafen-Kisel heterostruktur. Mätningar har utförts i syfte att karakterisera och verifiera detektorns egenskaper och prestanda. Detektorerna har designats för olika spektralband inom området 1.5-5 µm. Detektorerna uppvisar mycket låga brusnivåer vilket är lovande för framtiden. Däremot visade det sig vid uppmätningen av detektorn att tillverkningsprocessen behöver optimeras för att kunna uppnå önskad spektralrespons i de olika filterområdena.

Vid tillverkningen framkom att sensorn inte fullt ut kunde realiseras med specificerade filteregenskaper i olika spektralband, så det var inte heller möjligt att inom förstudien validera utförda simuleringar med riktiga mätningar. En anledning till att inte önskade detektoregenskaper kunde uppnås kan vara oavsiktlig dopning i grafen, och möjliga orsaker till detta behöver studeras och utredas.

Viktiga insikter är att för att kunna åstadkomma önskade multi-banddetektorer är det nödvändigt att utveckla tillverkningsprocessen så att denna inte producerar vad som antas vara oavsiktlig dopning i grafen. I övrigt så uppvisar sensorn mycket goda egenskaper beträffande känslighet, och när tillverkningsprocessen väl fungerar, förväntas denna kunna leverera ett såpass brusfritt mätvärde att inte längre sensorbruset kommer att ha någon betydelse för slutresultatet, då alla andra mät-och modellfel som uppstår i verkliga förutsedda tillämpningar såväl som i simuleringar kommer att vara större.

När det gäller framtidsutsikterna för grafen för utveckling av infraröda detektorer så förväntas denna typ av sensor ha möjlighet att överträffa mätnoggrannheten hos en flerbandspyrometer och kunna kombineras med den bildgenererande förmågan hos en värmekamera. Utöver termografi för inspektion av t.ex. ytdefekter i metalliska material vilket fokuserats på i förstudien, finns ett antal andra möjliga tillämpningar som inte studerats här. Genom att utveckla och optimera en bättre process för detektortillverkning skulle uppskattningsvis en produktlansering kunna ske om 2-3 år.

Nästa steg i utvecklingen skulle skulle vara att ta fram en fungerande prototyp och verifiera denna experimentellt. Fler parter skulle behövas på sikt i samband med eventuell produktutveckling, kommersialisering och tillämpning av detektorn i industriella applikationer skulle fler parter vara aktuella.