Peneliti Universitas Florida Kembangkan Detektor Inframerah Ultra-Sensitif dengan Graphene Berpola Nano

GRAPHENE, material berbasis karbon yang terkenal karena kekuatan dan konduktivitasnya, kini telah berevolusi dengan metode baru. 

Dalam penelitian terbaru yang dipublikasikan Nature Communications, para ilmuwan mengembangkan teknik mencetak pola nano di atas lapisan graphene yang dapat mendeteksi dan memetakan "warna" dalam spektrum inframerah. 

Peneliti dari Universitas Central Florida (UCF), Debashis Chanda, dan profesor di Pusat Teknologi Nanosains mengungkapkan pola nano pada graphene dapat meningkatkan respons material terhadap radiasi inframerah, yang biasa tidak terlihat oleh mata manusia.

Sejarah dan penemuan Grafena

Graphene, awalnya diisolasi tahun 2004 oleh Andre Geim dan Konstantin Novoselov, dan telah membuka jalan bagi berbagai aplikasi mulai dari komponen elektronika hingga aplikasi optik. 

Penemuan ini membuat adanya potensi graphene agar dapat digunakan dalam deteksi dan pencitraan pada panjang gelombang inframerah, yang seringkali dibutuhkan dalam aplikasi militer dan medis.

"Kami melihat dengan memodifikasi graphene dengan pola nano, kita bisa meningkatkan respons optik material terhadap sinar inframerah," kata Tianyi Guo, penulis utama penelitian ini, dan menyelesaikan gelar PhD di University of Central Florida (UCF) di bawah bimbingan Profesor Chanda.

Penelitian pendeteksi inframerah

Melansir dari Phys.org teknik baru yang dikembangkan para peneliti tersebut memiliki berbagai teknik, termasuk analisis material berdasarkan sifat spektralnya, pencitraan spektroskopi, serta pencitraan termal.

Sebagai informasi, diibaratkan seperti halnya manusia dapat melihat warna primer dan sekunder, tetapi tidak dapat mendeteksi cahaya inframerah. Lain halnya dengan ular atau spesies yang aktif di malam hari, mereka memiliki kemampuan mendeteksi berbagai panjang gelombang inframerah, mirip dengan cara manusia membedakan warna.

Menurut Chanda, mendeteksi inframerah, terutama LWIR (Long-Wave Infrared) pada suhu kamar, telah menjadi tantangan lama karena energi fotonnya yang lemah. Detektor LWIR saat ini umumnya terbagi menjadi dua jenis: detektor berpendingin dan detektor tanpa pendingin.

"Detektor berpendingin memiliki keunggulan dalam tingkat deteksi yang tinggi dan waktu respons yang cepat, tetapi harganya mahal karena membutuhkan pendinginan kriogenik. Hal ini membatasi penggunaannya secara praktis," jelas Chanda.

Sebaliknya, detektor tanpa pendingin, seperti mikrobolometer, lebih murah dan dapat beroperasi pada suhu kamar, tetapi memiliki kekurangan berupa sensitivitas yang lebih rendah dan waktu respons yang lebih lambat.

Namun, baik detektor berpendingin maupun tanpa pendingin tidak memiliki kemampuan untuk menyetel spektral secara dinamis. Akibatnya, detektor tersebut tidak mampu membedakan foton berdasarkan panjang gelombang atau "warna" yang berbeda.

Chanda, bersama peneliti pasca doktoralnya, mencoba mengatasi keterbatasan ini dengan mengembangkan metode baru yang sangat sensitif, dan efisien menggunakan graphene berpola nano.

Penelitian ini dipimpin Tianyi Guo, mengungkapkan penelitian ini telah dilakukan secara tim.

"Metode baru ini adalah hasil dari penelitian yang dilakukan oleh Guo dan tim kami di laboratorium," ujar Chanda.

"Tidak ada detektor saat ini, baik yang berpendingin maupun tidak, yang mampu menawarkan penyetelan spektral dinamis dan respons ultra-cepat. Teknik baru ini menunjukkan potensi detektor berbasis graphene satu lapis yang beroperasi pada suhu kamar, dengan sensitivitas tinggi dan kemampuan penyesuaian spektral dinamis untuk pencitraan spektroskopi,” tambahnya.

Teknologi ini memanfaatkan perbedaan suhu bahan (disebut efek Seebeck) dalam film graphene berpola asimetris. Ketika cahaya inframerah mengenai bahan tersebut, area yang berpola menghasilkan pembawa panas dengan tingkat penyerapan yang jauh lebih tinggi dibandingkan area yang tidak berpola. Panas ini menyebar dan menciptakan ketegangan foto termoelektrik, yang kemudian diukur antara elektroda sumber dan pembuangan.

Dengan merancang pola graphene dalam matriks khusus, para peneliti tersebut berhasil meningkatkan penyerapan cahaya dan menyetel spektrum LWIR secara elektrostatis. Teknologi ini memberikan kemampuan deteksi inframerah yang jauh lebih baik dibandingkan mikrobolometer konvensional tanpa pendingin.

“Platform ini membuka jalan bagi pengembangan generasi baru fotodetektor LWIR berbasis graphene tanpa pendingin, yang dapat digunakan dalam berbagai aplikasi seperti elektronik konsumen, penginderaan molekuler, eksplorasi luar angkasa, dan banyak lagi,” kata Chanda.

Penelitian yang membuka peluang

Lebih lanjut, penelitian ini membuka peluang besar dalam berbagai bidang. Di sektor medis, misalnya, deteksi dini terhadap berbagai jenis kanker dapat dilakukan lebih akurat dengan pencitraan inframerah. 

Sementara itu, di bidang militer, teknologi ini memungkinkan pengembangan sensor-sensor canggih untuk mendeteksi pergerakan musuh atau mengenali ancaman dengan akurasi tinggi. Teknologi ini juga memiliki potensi untuk meningkatkan kualitas pada perangkat medis, seperti MRI (Magnetic Resonance Imaging).

Pencetakan pola nano pada graphene merupakan terobosan yang dapat mengembangkan deteksi dan pencitraan dalam spektrum inframerah sehingga memberikan dampak besar dalam berbagai sektor. (Nature/phys/Universitas Florida Tengah.Tianyi Guo dkk/Penginderaan inframerah gelombang panjang ultracepat yang dapat disetel secara spektral pada suhu kamar, huruf nano (2024), opg.optica.org/Z-3)