Nano-thermoelectric infrared bolometers
Julkaisuvuosi
2021
Tekijät
Varpula, Aapo; Tappura, Kirsi; Tiira, Jonna; Grigoras, Kestutis; Kilpi, Olli Pekka; Sovanto, Kuura; Ahopelto, Jouni; Prunnila, Mika
Tiivistelmä
Infrared (IR) radiation detectors are used in numerous applications from thermal imaging to spectroscopic gas sensing. Obtaining high speed and sensitivity, low-power operation, and cost-effectiveness with a single technology remains to be a challenge in the field of IR sensors. By combining nano-thermoelectric transduction and nanomembrane photonic absorbers, we demonstrate uncooled IR bolometer technology that is material-compatible with large-scale CMOS fabrication and provides fast and high sensitivity response to long-wavelength IR (LWIR) around 10 μm. The fast operation speed stems from the low heat capacity metal layer grid absorber connecting the sub-100 nm-thick n- and p-type Si nano-thermoelectric support beams, which convert the radiation induced temperature rise into voltage. The nano-thermoelectric transducer-support approach benefits from enhanced phonon surface scattering in the beams, leading to reduction in thermal conductivity, which enhances the sensitivity. We demonstrate different size nano-thermoelectric bolometric photodetector pixels with LWIR responsitivities, specific detectivities, and time constants in the ranges 179 V/W-2930 V/W, 1.5 × 107 cm Hz1/2/W-3.1 × 108 cm Hz1/2/W, and 66 μs-3600 μs, respectively. We benchmark the technology against different LWIR detector solutions and show how nano-thermoelectric detector technology can reach the fundamental sensitivity limits posed by phonon and photon thermal fluctuation noise.
Näytä enemmänOrganisaatiot ja tekijät
Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy
Tiira Jonna
Ahopelto Jouni
Grigoras Kestutis
Prunnila Mika
Kilpi Olli Pekka
Julkaisutyyppi
Julkaisumuoto
Artikkeli
Emojulkaisun tyyppi
Lehti
Artikkelin tyyppi
Alkuperäisartikkeli
Yleisö
TieteellinenVertaisarvioitu
VertaisarvioituOKM:n julkaisutyyppiluokitus
A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessäJulkaisukanavan tiedot
Lehti
Volyymi
6
Numero
3
Artikkelinumero
036111
ISSN
Julkaisufoorumi
Julkaisufoorumitaso
1
Avoin saatavuus
Avoin saatavuus kustantajan palvelussa
Kyllä
Julkaisukanavan avoin saatavuus
Kokonaan avoin julkaisukanava
Kustantajan version lisenssi
CC BY
Rinnakkaistallennettu
Ei
Avoimen saatavuuden kirjoittajamaksu €
2400
Avoimen saatavuuden kirjoittajamaksun vuosi
2021
Muut tiedot
Tieteenalat
Fysiikka
Kieli
englanti
Kansainvälinen yhteisjulkaisu
Ei
Yhteisjulkaisu yrityksen kanssa
Ei
DOI
10.1063/5.0040534
Julkaisu kuuluu opetus- ja kulttuuriministeriön tiedonkeruuseen
Kyllä