基于石墨烯和硅肖特基接觸的紅外輻射傳感器

考納斯工業(yè)大學（KTU）材料科學研究所的一組研究人員創(chuàng)建了新的基于石墨烯和硅肖特基接觸的紅外輻射傳感器，這些傳感器比目前市場上使用的紅外傳感器更有效。

新型紅外傳感器可以助力我們從太空進行地球觀測，進行行星際飛行任務以探索其他行星的大氣層或尋找火星上的生命。如果不將紅外線傳感器安裝在各種設備中，所有這些都不能實現(xiàn)。此外，該傳感器還用于夜視設備，建筑節(jié)能控制系統(tǒng)，光通信線路，運動傳感器和藥品等行業(yè)應用。

如今機場還使用這種傳感器來遠程測量乘客的體溫，以識別感染了Covid-19病毒的人。

事實上，在過去的幾年中，考納斯工業(yè)大學（KTU）的研究人員一直在努力改進這些傳感器。

該研究小組的首席研究員?ar?nasMe?kinis博士認為，與其他紅外傳感器相比，肖特基接觸傳感器的制造技術非常簡單。這些傳感器的許多陣列可以制成在半導體板上，例如硅板。肖特基接觸傳感器的一個重要優(yōu)點是開關速度快。

“但是，這些傳感器的主要缺點之一是靈敏度低。那是因為它們只能將一小部分光粒子-光子-轉換成光電子。因此，我們決定在石墨烯上制造納米結構的金屬等離子體吸收器，從而提高了這些傳感器的靈敏度。”?ar?nasMe?kinis博士說。

考納斯工業(yè)大學開發(fā)的石墨烯-有機硅紅外傳感器（俯視圖）

傳感器的應用–從氣象到太空觀測

肖特基接觸式光電傳感器可用于人造地球衛(wèi)星，以監(jiān)測水和土地邊界，森林火災，熔巖流。它們還用于氣象，以評估植物和土壤，地質，光通信系統(tǒng)中的水位。

這些傳感器用于研究其他行星：礦物學分析，行星大氣中的大氣現(xiàn)象以及尋找可能的生命跡象。它們對于太空中的許多類型的研究都很重要?！?ar?nasMe?kinis博士說。

由KTU研究人員創(chuàng)建的傳感器可以以多種方式應用。?ar?nasMe?kinis博士認為，首先要考慮的是使這些傳感器適應光學編碼。光學編碼器是高精度的光機械設備，旨在測量最小位移，距離，機械設備及其組件的精度以及轉速。

“在太空中，光學編碼器用于激光通信終端，地面光學衛(wèi)星站。此外，在低軌道衛(wèi)星與地球之間的基于激光的通信中，航天器激光定位器（LiDAR），安裝在衛(wèi)星上的攝像機，太空望遠鏡，” KTU研究人員說。

石墨烯使傳感器更加靈敏

肖特基接觸傳感器通常由生長在半導體上的金屬層組成。該金屬在半導體表面層中產生電場。

“當在金屬或半導體表面層中產生光電子（由原子從原子釋放的自由電子）時，它們可以被電場提取并形成所謂的光電流，該光電流可以測量并用于評估光強度（包括紅外線輻射?！?ar?nasMe?kinis博士說。

由于常規(guī)傳感器只能將一小部分光子-光子轉換為光電子，因此研究人員決定使用石墨烯代替金屬來解決此問題，并以此方式提高此類傳感器的靈敏度。

因為石墨烯是超薄的，所以沒有自由電子散射問題。結果，在石墨烯中產生的幾乎所有光電子都將以適當?shù)慕嵌鹊竭_石墨烯和半導體結，并流向半導體。傳感器中產生的光電流將比金屬半導體接觸器中的光電流大得多。”?ar?nasMe?kinis博士解釋說。

然而，石墨烯的超小厚度也是要解決的重要問題。一層石墨烯只能吸收到達它的光子的2.3％。

“我們通過在石墨烯上形成特殊的金屬納米結構（稱為等離子體納米結構液體）解決了這一問題。他們提高了光電傳感器的靈敏度?！毖芯咳藛T解釋說。

盡管金屬半導體肖特基接觸式傳感器已經在市場上銷售了30多年，但?ar?nasMe?kinis博士指出，石墨烯和半導體Shottky接觸式光電傳感器尚未量產。