Прикладная физика

Рассмотрено развитие неохлаждаемых многоэлементных приемников излучения на основе оптико-акустических преобразователей от первого в истории техники матричного приемника Голея до современных конструктивных решений, включающих применение графеновых разделительных мембран. Проведены обобщенные расчеты чувствительности мембран, выполненных на основе графенов и традиционных материалов, таких как полиметилметакрилат и нитрид кремния. Анализируется перспективность применения однослойного графена (SLG – single-layer graphene), как наиболее перспективного материала для выполнения мембран. Показано, что гексатриграфен С63(6) является идеальным материалом для изготовления гибкой мембраны из-за его атомной толщины, высокой прочности, газонепроницаемости и высокой электропроводности. Показано, что повышение чувствительности оптоакустических приемников излучения (ОАПИ) при изготовлении мембран из графенов позволяет конструировать матричные системы с малыми диаметрами мембран при сохранении метрологических параметров однокамерных ОАПИ приборов. Рассмотрена конструкция матричного оптико-акустического приемник ТГц излучения предельной чувствительности, в которой используется перфорированный SLG графен.

Рассмотрено влияние параметров гибкой разделительной мембраны на порог чувствительности оптико-акустического приемника излучения ИК и ТГц диапазонов. Проведены обобщенные расчеты чувствительности мембран, выполненных на основе традиционных материалов: серебро, полиметилметакрилат, нитрид кремния. Анализируется перспективность применения однослойного графена, как наиболее перспективного материала для создания мембран. Показано, что графен является идеальным материалом для изготовления гибкой мембраны из-за его атомной толщины, высокой прочности, газонепроницаемости и высокой электропроводности. Представлены обобщенные расчеты чувствительности мембран из классического графена и его аллотропных модификаций. Показано, что повышение чувствительности при изготовлении мембран из классического графена составляет порядка 9 000, а из гексатриграфена порядка 300 000 по сравнению с наиболее чувствительными мембранами из полиметилметакрилата. Показано, что высокая прозрачность и высокая электропроводность графена являются решающими для выбора схемы приемник Хейса с динамическим конденсатором.

Рассмотрены перспективы применения однослойного графена при конструировании оптико-акустических преобразователей (ОАП) нового поколения. Показано, что предельные характеристики преобразователей с мембранами из однослойного графена могут быть получены только в ОАП, построенных по схеме Хейса. Рассмотрены основные характеристики мембран – основных элементов ОАП, проанализированы физические свойства графена, как наиболее предпочтительного материала для мембран. Проведены оценки, показывающие, что применение мембран из SLG-графенов позволяет создавать приемники ИК- и ТГц-излучения с ячейками порядка десятков микрон, имеющими предельно высокую чувствительность. Для достижения предельной чув-ствительности предложено выполнение краевой перфорации графеновых мембран. Предложена новая конструктивная схема неохлаждаемых гелий-графеновых оптико-акустических приемников, обладающих теоретически предельными чувствительностью и быстродействием и расширенным до гелиевых температур рабочим диапазоном. Изложенные технические решения могут быть положены в основу конструирования неохлаждаемых мегапиксельных матричных ОАП для регистрации ИК- и ТГц-изображений.

Оптико-акустические приемники (ОАП) излучения имеют эквивалентную мощность шума (NEP) 1,410-10 Вт/Гц1/2 в спектральном диапазоне 0,3–10000 мкм и не требуют вакуумирования и термостабилизации. Диапазон исследуемых с помощью ОАП сигналов охватывает как постоянные потоки ИК- и ТГц-излучения мощностью до 10-11 Ватт, изменения температуры на 10-6–10-7 K, так и фемтосекундные тераваттные лазерные импульсы. Основным недостатком ОАП является сверхчувствительность к вибрациям. Показано, что гибкая мембрана, выполняющая роль датчика давления, одновременно является акселерометром в котором сила, действующая на мембрану определяется её инерционной массой. Так как однослойный графен (SLG) является самым легким конструкционным материалом с поверхностной плотностью 0,7710-7 г/см2, использование гибкой мембраны из SLG обеспечивает снижение восприимчивости ОАП к акустическим и вибрационным шумам более чем на три порядка без применения каких либо устройств виброзащиты.