Nová generace grafenových bolometrů
Loading...
Date
Authors
Martyniuk, Oleh
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT
Abstract
Bolometrické detektory jsou klíčové pro detekci nepatrných změn energie záření a nacházejí široké uplatnění v astronomii, materiálových vědách a environmentálním monitoringu. Jejich výjimečná citlivost při kryogenních teplotách umožňuje detekci extrémně slabých tepelných signálů, což posouvá vpřed vědecký výzkum a technologii. Tato práce se zabývá výrobou a charakterizací pokročilých architektur bolometrů založených na grafenu připraveném metodou chemické depozice z plynné fáze (CVD), využívajících jeho vynikající elektrické vodivosti, tepelných vlastností a mechanické pevnosti. Jsou demonstrovány tři hlavní výsledky. Za prvé, hlásíme úspěšnou výrobu bolometrů s kvantovými tečkami využívajících CVD grafen, kde kvantové uzamčení zesiluje teplotní závislost elektrického odporu – klíčový parametr pro citlivou bolometrickou detekci. Za druhé byl vyroben nový design zařízení s multi-paralelními kvantovými tečkami na bázi CVD grafenu, ukazující zlepšenou škálovatelnost a odolnost. Za třetí ukazujeme, že napětí na zadním hradle sehrává klíčovou roli při ladění teplotní závislosti odporu grafenové kvantové tečky, a tím poskytuje laditelný mechanismus pro optimalizaci výkonu bolometru. Důležité je, že multi-paralelní architektura umožňuje optimalizaci celkové impedance bolometru, což usnadňuje jeho budoucí integraci s anténami pro vysokofrekvenční aplikace. Tento design zároveň umožňuje výrazné zvětšení celkové aktivní plochy grafenu při zachování stejné úrovně odezvy, čímž překonává běžný kompromis u miniaturizovaných detektorů. Navzdory výzvám při fabrikaci, jako je zachování homogenních materiálových vlastností a dosažení vysokého rozlišení litografie na nanoměřítku, demonstrovaná zařízení představují důležitý krok směrem k výkonným a škálovatelným bolometrům na bázi grafenu. Tyto pokroky ukazují slibný potenciál pro aplikace sahající od citlivé detekce molekulárních magnetů až po sekvencování DNA s vysokým rozlišením a dále.
Bolometer detectors are essential for sensing minute energy changes in radiation and are widely used in fields such as astronomy, materials science, and environmental monitoring. Their exceptional sensitivity at cryogenic temperatures enables the detection of extremely small thermal signals, advancing both scientific research and technology. This thesis presents the fabrication and characterization of advanced bolometer architectures based on chemical vapor deposition (CVD) graphene, exploiting its outstanding electrical conductivity, thermal properties, and mechanical strength. Three major results are demonstrated. First, we report the successful fabrication of quantum dot bolometers using CVD-grown graphene, where the quantum confinement enhances temperature-dependent electrical resistance—an essential parameter for sensitive bolometric detection. Second, a novel design of multi-parallel quantum dot devices based on CVD graphene is fabricated, showing improved scalability and robustness. Third, we reveal that the back-gate voltage plays a critical role in tuning the temperature dependence of the graphene quantum dot resistance, thereby offering a tunable mechanism to optimize bolometer performance. Importantly, the multi-parallel architecture enables optimization of the total impedance of the bolometer, facilitating its future integration with antennas for high-frequency applications. This design also allows for a significant increase in the total active graphene area while preserving the same level of responsivity, overcoming a common trade-off in miniaturized detectors. Despite fabrication challenges such as maintaining uniform material properties and achieving high-resolution lithography at the nanoscale, the demonstrated devices pave the way for high-performance, scalable graphene-based bolometers. These advances show promising potential for applications ranging from sensitive detection of molecular magnets to high-resolution DNA sequencing and beyond.
Bolometer detectors are essential for sensing minute energy changes in radiation and are widely used in fields such as astronomy, materials science, and environmental monitoring. Their exceptional sensitivity at cryogenic temperatures enables the detection of extremely small thermal signals, advancing both scientific research and technology. This thesis presents the fabrication and characterization of advanced bolometer architectures based on chemical vapor deposition (CVD) graphene, exploiting its outstanding electrical conductivity, thermal properties, and mechanical strength. Three major results are demonstrated. First, we report the successful fabrication of quantum dot bolometers using CVD-grown graphene, where the quantum confinement enhances temperature-dependent electrical resistance—an essential parameter for sensitive bolometric detection. Second, a novel design of multi-parallel quantum dot devices based on CVD graphene is fabricated, showing improved scalability and robustness. Third, we reveal that the back-gate voltage plays a critical role in tuning the temperature dependence of the graphene quantum dot resistance, thereby offering a tunable mechanism to optimize bolometer performance. Importantly, the multi-parallel architecture enables optimization of the total impedance of the bolometer, facilitating its future integration with antennas for high-frequency applications. This design also allows for a significant increase in the total active graphene area while preserving the same level of responsivity, overcoming a common trade-off in miniaturized detectors. Despite fabrication challenges such as maintaining uniform material properties and achieving high-resolution lithography at the nanoscale, the demonstrated devices pave the way for high-performance, scalable graphene-based bolometers. These advances show promising potential for applications ranging from sensitive detection of molecular magnets to high-resolution DNA sequencing and beyond.
Description
Keywords
Grafenový bolometr, kvantová tečka, CVD grafen, ladění zadního hradla, multi-paralelní architektura, impedanční přizpůsobení, kryogenní senzory, nanofabrikace, teplotní citlivost, detektory s vysokou odezvou, Graphene bolometer, quantum dot, CVD graphene, back-gate tuning, multi-parallel architecture, impedance matching, cryogenic sensors, nanofabrication, thermal sensitivity, high-responsivity detectors.
Citation
MARTYNIUK, O. Nová generace grafenových bolometrů [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT. 2025.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
bez specializace
Comittee
prof. Ing. Radimír Vrba, CSc. (předseda)
Dipl.-Ing. Dr.techn. Hermann Detz (místopředseda)
Dr. Kenneth Maussang (člen)
Dr. Yahya Meziani (člen)
Prof. Yahya Tayalati (člen)
Assoc. Prof. Abdelmajid Ait Abdelkader (člen)
Date of acceptance
2025-09-08
Defence
Disertační práce pana Martyniuka se zabývá výrobou a charakterizací pokročilých architektur bolometrů založených na grafenu připraveném metodou chemické depozice z plynné fáze (CVD), využívajících jeho vynikající elektrické vodivosti, tepelných vlastností a mechanické pevnosti. Práce je aktuální a její cíle jsou jasně vymezeny a byly úspěšně splněny. Tato práce ukazuje, že CVD grafen je vhodným materiálem pro výrobu bolometrů založených na kvantových tečkách, které se vyznačují vysokou citlivostí, škálovatelností a laditelností. Pro úplnou charakterizaci vyrobeného zařízení je však zapotřebí další výzkum. Celkově pan Oleh Martyniuk úspěšně navrhl, vyrobil a charakterizoval novou generaci bolometrických detektorů založených na grafenu a experimentálně prokázal jejich schopnost detekovat záření na frekvenci 100 GHz při nízkých teplotách. V průběhu obhajoby pan Martyniuk prokázal hluboké znalosti ve zkoumané problematice a schopnost samostatně vědecky pracovat. Na dotazy komise a oponentů reagoval výborně.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení