一文看懂基于石墨烯的新型光電探測器

一文看懂基于石墨烯的新型光電探測器

當(dāng)前技術(shù)背景下，研究者在設(shè)計(jì)光電探測器時(shí)，需要在帶寬、靈敏度與速度之間做出權(quán)衡與犧牲。加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的設(shè)計(jì)解決了這種兩難選擇。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，來自加州大學(xué)洛杉磯分校的薩姆厄里工程學(xué)院（the UCLA Samueli School of Engineering）的工程師們采用石墨烯發(fā)明了一款新型光電探測器，它比目前最先進(jìn)的光電探測器能處理更多類型的光。同時(shí)，該器件還具有出色的傳感和成像能力。



光電探測器是光傳感器；在照相機(jī)和其他成像器件中，光電探測器可感知被稱為光子的基本粒子的圖案，并根據(jù)這些圖案創(chuàng)造圖像。不同的光電探測器可感知到的光譜范圍不同。例如，在夜視鏡中，就可使用光探測器來感知肉眼不可見的熱輻射。另外，通過了解物質(zhì)反射光的特性，光電探測器還可用于識別環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)。



光電探測器的多用途和可用性主要取決于以下三個(gè)因素：器件的運(yùn)行速度，器件對較低亮度的靈敏度，以及器件能感知光譜的范圍。通常情況下，工程師們在改進(jìn)光電探測器的上述任意關(guān)鍵因素時(shí)，至少需要削弱另外兩項(xiàng)因素的一種。



然而，UCLA研究小組設(shè)計(jì)的光電探測器，在這三方面都有很大的改進(jìn)：該光電探測器探測的光譜范圍更廣，處理圖像的速度更快，對低亮度光線比當(dāng)前技術(shù)更靈敏。

領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)研究的電子與計(jì)算機(jī)工程教授Mona Jarrahi認(rèn)為：“我們的光電探測器可擴(kuò)展成像和傳感系統(tǒng)中光電探測器的探測范圍和潛在用途。該光電探測器可極大地改善夜視和醫(yī)學(xué)診斷應(yīng)用中的熱成像，在醫(yī)學(xué)診斷中，溫度的細(xì)微差別可以為醫(yī)生提供大量的病人信息。該光電器件也可用于環(huán)境傳感技術(shù)，以更準(zhǔn)確地識別污染物的濃度。”



該項(xiàng)研究已發(fā)表于Light: Science and Applications《光：科學(xué)與應(yīng)用》雜志。



石墨烯是由單層碳原子組成的超薄材料，新型光電探測器利用了石墨烯的獨(dú)特特性。石墨烯是檢測光子的優(yōu)秀材料——這是由于石墨烯能從廣泛的電磁波譜（從紫外線到可見光，再到紅外線和微波波段）中吸收能量。石墨烯也是優(yōu)秀的電流導(dǎo)體——這是由于電子可以暢通無阻地穿過石墨烯。



為了構(gòu)建光電探測器，研究人員在本身覆蓋了硅基的二氧化硅層上鋪設(shè)了石墨烯。然后，研究人員創(chuàng)造了一系列由黃金制成的梳齒狀納米級圖案，“梳齒”約有100nm寬。



石墨烯可當(dāng)作網(wǎng)來捕捉進(jìn)入的光子，然后將它們轉(zhuǎn)換成電信號。金梳齒狀納米圖案迅速將這些信息傳輸至處理器，從而產(chǎn)生相應(yīng)的高質(zhì)量圖像，即使在低光照條件下也能保持如此性能。



UCLA的博士后學(xué)者、該項(xiàng)研究的主要作者SemihCakmakyapan說：“我們專門設(shè)計(jì)了石墨烯納米條紋和其金屬貼片的尺寸，這樣一來，進(jìn)入的可見光和紅外光就會被緊緊束縛在里面。在整個(gè)光譜范圍內(nèi)（從可見光到紅外波段），這種設(shè)計(jì)能有效地產(chǎn)生‘可遵循光強(qiáng)度的超快和細(xì)微變化’的電信號。”



該研究的其他作者為UCLA的研究生Ping Keng Lu和Aryan Navabi。同時(shí)，該項(xiàng)研究還得到了美國能源部（the Department of Energy）的支持。