El futuro del grafeno (IV): fotónica, optrónica y sensores químicos y biosensores

Boletín de observación tecnológica en Defensa 49

tecnologías emergentes El futuro del grafeno (IV): fotónica, optrónica y sensores químicos y biosensores Autor: Pedro Carda Barrio, OT OPTR, SDG PLATIN. Palabras clave: grafeno, fotónica, optrónica, sensores químicos, biosensores, láser, terahercios, defensa y seguridad. Metas Tecnológicas relacionadas: MT 2.3.1; MT 5.2.1. Introducción El grafeno tiene la capacidad de ab-sorber energía de manera indepen-diente a la longitud de onda de la radiación incidente en un material. Gracias a ello, podría sustituir en un futuro a múltiples materiales que se utilizan actualmente en dispositivos optrónicos y nanofotónicos. Median-te un dopaje electrostático (proceso de agregar impurezas en un material puro con el objetivo de modificar sus propiedades), se podrían conseguir propiedades ópticas sintonizables en función de la longitud de onda, así como el almacenamiento de altas cantidades de energía electromagné-tica en pequeños volúmenes, por lo que, ciertas prestaciones de los dis-positivos optrónicos y nanofotónicos actuales podrían mejorar enorme-mente. Como consecuencia de lo descri-to anteriormente, es perfectamente posible imaginar cambios relevantes en la integración de los dispositivos optoelectrónicos que impliquen me-joras muy importantes en la sensibi-lidad y en la velocidad de detección de los sensores de visión en los ran-gos visible e infrarrojo, en nuevos dispositivos que trabajen en el rango de los terahercios, láseres y meta-materiales sintonizables, circuitos y dispositivos nano-optoelectrónicos, fibras ópticas, sensores químicos, biosensores, etc. Todo ello podría suponer un cambio disruptivo en el sector de las teleco-municaciones y en el mercado de los sensores en los rangos visible, infra-rrojos y terahercios. Fotodetección: detección en los rangos visible, infrarrojos y visión nocturna El grafeno tiene unas propiedades fotosensibles muy particulares al ser capaz de detectar la radiación in-cidente en todo el espectro visible, infrarrojo y ultravioleta de manera si-multánea, por lo que se investiga la posibilidad de incorporarlo en múlti-ples fotodetectores que trabajen en dicho espectro. Actualmente, la mayoría de los detec-tores que trabajan en el rango visible no necesitan ser refrigerados. Res-pecto de los detectores que trabajan en los diferentes rangos del infrarrojo, pueden necesitar o no refrigeración, dependiendo principalmente del ran-go del infrarrojo. Por ejemplo, entre 3 y 5 μm sí suelen necesitar refrigera-ción mientras que entre 8 y 12 μm no suele ser necesario. La refrigeración hace posible el uso de detectores de una alta sensibilidad térmica, pero supone un problema en cuanto al au-mento de peso, volumen y consumo eléctrico de los sistemas, además de producir vibraciones. En el caso de futuros detectores fabri-cados con grafeno, la detección sería simultánea en todo el espectro (visi-ble + todas las bandas de infrarrojos), y no sería necesaria la refrigeración, lo que implicaría una mejora en la ca-pacidad de detección, y disminuiría el peso, volumen y consumo energético de los equipos actuales para aplica-ciones tan diversas como vigilancia, visión nocturna, sanitarias, detección de averías eléctricas y fugas de ga-ses, etc. Otro ámbito en el que el grafeno po-dría resultar de gran interés sería en el de las fibras ópticas, cuya principal limitación en cuanto a su capacidad actual viene dada por los receptores que convierten las señales ópticas en eléctricas y viceversa. Mediante foto-detectores de alta velocidad basados en grafeno, se podrían crear nuevas conexiones de fibra óptica con mayor capacidad de transmisión de datos y mucho más rápidas. No obstante, hay que tener en cuenta que todavía existen importantes retos tecnológicos a resolver. El grafeno absorbe un porcentaje muy bajo de la radiación incidente (inferior al 3%), con lo que resulta difícil generar las corrientes eléctricas que son necesa-rias para la fabricación de los fotode-tectores. Láser El grafeno podría ser utilizado para la creación de nuevos láseres de pulsos ultracortos de femtosegundos (1fs = Fig. 1: Imagen de visión nocturna de un AV-8B Harrier norteamericano. 10-15 s), de diferentes longitudes de (Fuente: Wikipedia). 20 Boletín de Observación Tecnológica en Defensa n.º 49. Primer trimestre 2016


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