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基于石墨烯的新型光电探测器 可改善夜视、热传感及医学成像

2018-07-09
关键词: 光电探测器 传感器

  据麦姆斯咨询报道,来自加州大学洛杉矶分校的萨姆厄里工程学院(the UCLA Samueli School of Engineering)的工程师们采用石墨烯发明了一款新型光电探测器,它比目前最先进的光电探测器能处理更多类型的光。同时,该器件还具有出色的传感和成像能力。

  光电探测器是光传感器;在照相机和其他成像器件中,光电探测器可感知被称为光子的基本粒子的图案,并根据这些图案创造图像。不同的光电探测器可感知到的光谱范围不同。例如,在夜视镜中,就可使用光探测器来感知肉眼不可见的热辐射。另外,通过了解物质反射光的特性,光电探测器还可用于识别环境中的化学物质。

  光电探测器的多用途和可用性主要取决于以下三个因素:器件的运行速度,器件对较低亮度的灵敏度,以及器件能感知光谱的范围。通常情况下,工程师们在改进光电探测器的上述任意关键因素时,至少需要削弱另外两项因素的一种。

  然而,UCLA研究小组设计的光电探测器,在这三方面都有很大的改进:该光电探测器探测的光谱范围更广,处理图像的速度更快,对低亮度光线比当前技术更灵敏。

  领导该项研究的电子与计算机工程教授Mona Jarrahi认为:“我们的光电探测器可扩展成像和传感系统中光电探测器的探测范围和潜在用途。该光电探测器可极大地改善夜视和医学诊断应用中的热成像,在医学诊断中,温度的细微差别可以为医生提供大量的病人信息。该光电器件也可用于环境传感技术,以更准确地识别污染物的浓度。”

  该项研究已发表于Light: Science and Applications《光:科学与应用》杂志。

  石墨烯是由单层碳原子组成的超薄材料,新型光电探测器利用了石墨烯的独特特性。石墨烯是检测光子的优秀材料——这是由于石墨烯能从广泛的电磁波谱(从紫外线到可见光,再到红外线和微波波段)中吸收能量。石墨烯也是优秀的电流导体——这是由于电子可以畅通无阻地穿过石墨烯。

  为了构建光电探测器,研究人员在本身覆盖了硅基的二氧化硅层上铺设了石墨烯。然后,研究人员创造了一系列由黄金制成的梳齿状纳米级图案,“梳齿”约有100nm宽。

  石墨烯可当作网来捕捉进入的光子,然后将它们转换成电信号。金梳齿状纳米图案迅速将这些信息传输至处理器,从而产生相应的高质量图像,即使在低光照条件下也能保持如此性能。

  UCLA的博士后学者、该项研究的主要作者SemihCakmakyapan说:“我们专门设计了石墨烯纳米条纹和其金属贴片的尺寸,这样一来,进入的可见光和红外光就会被紧紧束缚在里面。在整个光谱范围内(从可见光到红外波段),这种设计能有效地产生‘可遵循光强度的超快和细微变化’的电信号。”

  该研究的其他作者为UCLA的研究生Ping Keng Lu和Aryan Navabi。同时,该项研究还得到了美国能源部(the Department of Energy)的支持。