undefined

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 enemmän

Organisaatiot ja tekijät

Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy

Varpula Aapo Orcid -palvelun logo

Tappura Kirsi Orcid -palvelun logo

Sovanto Kuura Orcid -palvelun logo

Tiira Jonna

Ahopelto Jouni

Grigoras Kestutis

Prunnila Mika

Kilpi Olli Pekka

Julkaisutyyppi

Julkaisumuoto

Artikkeli

Emojulkaisun tyyppi

Lehti

Artikkelin tyyppi

Alkuperäisartikkeli

Yleisö

Tieteellinen

Vertaisarvioitu

Vertaisarvioitu

OKM:n julkaisutyyppiluokitus

A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessä

Julkaisukanavan tiedot

Volyymi

6

Numero

3

Artikkelinumero

036111

Julkaisu­foorumi

84474

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