一款新型基于石墨烯的中紅外傳感器介紹

一款新型基于石墨烯的中紅外傳感器介紹

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，美國(guó)耶魯大學(xué)（Yale University）和巴塞羅那光子學(xué)研究所（ICFO）的研究人員合作開(kāi)發(fā)了一款基于石墨烯的器件，或能制成在中紅外光譜工作的新型微尺寸非制冷探測(cè)器。



目前，在紅外“指紋”區(qū)（充滿了分子特定的光譜信息）工作的商用中紅外傳感器，通常需要昂貴的光電探測(cè)器材料，同時(shí)還需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，這使得儀器體積很龐大。


Yale-ICFO合作團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的傳感器工作波長(zhǎng)位于中紅外光譜核心的12.2 um，由等離子共振器陣列組成。該器件的尺寸僅為5um x 5um，在室溫下具有良好的低噪聲性能，無(wú)需任何冷卻。



“這款器件采用大尺寸石墨烯制造，具有簡(jiǎn)單的雙端子幾何結(jié)構(gòu)，代表著實(shí)現(xiàn)片上石墨烯中紅外探測(cè)器陣列的重要一步，”ICFO的Javier Garcia de Abajo和耶魯大學(xué)Fengnian Xia領(lǐng)導(dǎo)的該合作項(xiàng)目，在一篇?jiǎng)倓偘l(fā)表在“自然材料”（Nature Materials）雜志上的論文中詳細(xì)介紹了該研究成果。



千兆赫茲速度

ICFO研究人員稱，他們通過(guò)利用中紅外光和石墨烯等離子體之間的共振耦合，能夠大幅提高器件的靈敏度。

器件設(shè)計(jì)和運(yùn)行原理

該團(tuán)隊(duì)在石墨烯晶圓上制造傳感器，其中圓盤狀等離子體諧振器，通過(guò)被稱為“準(zhǔn)一維石墨烯納米帶”實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。



當(dāng)他們將中紅外光源照射到器件上時(shí)，他們?cè)谑覝叵掠^察到了石墨烯諧振器和納米帶表面上的紅外等離子體的激發(fā)和吸收。



得益于石墨烯納米結(jié)構(gòu)，他們還觀察到，轉(zhuǎn)換為電響應(yīng)的光吸收，和等離子體吸收水平密切關(guān)聯(lián)，響應(yīng)時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)千兆赫茲速度的探測(cè)。



在結(jié)論中，研究團(tuán)隊(duì)稱：“這項(xiàng)研究的結(jié)果證明，石墨烯是室溫下將光信號(hào)超快速轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的優(yōu)良材料，推動(dòng)了超小型探測(cè)器的開(kāi)發(fā)，并可將它們集成到高分辨率中紅外相機(jī)或高密度集成紅外光子電路中?！?br>


中紅外應(yīng)用

如果該技術(shù)可以按預(yù)期的發(fā)展，它的應(yīng)用前景應(yīng)該非常廣闊，并且可能是突破性的。它能夠?qū)崿F(xiàn)超緊湊設(shè)備，根據(jù)分子的指紋振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)激發(fā)進(jìn)行識(shí)別。



可識(shí)別的分子將包括危險(xiǎn)品和生物分子，ICFO團(tuán)隊(duì)建議該技術(shù)可應(yīng)用于安全、生物測(cè)定和空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)等。



中紅外光譜的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例搭載于詹姆斯-韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST），該望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)備于2020年發(fā)射。JWST的“MIRI”儀器覆蓋了5~28 um的光譜區(qū)域，用于研究來(lái)自遙遠(yuǎn)星系以及新形成的恒星和微弱彗星的紅移光。







JWST上的MIRI傳感器

MIRI探測(cè)器基于砷摻雜的硅傳感器，由Raytheon Vision Systems公司制造，它具有復(fù)雜的低溫冷卻裝置，由脈沖管預(yù)冷器和Joule-Thomson環(huán)路熱交換器組合提供低至7 K的溫度。

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