石墨烯傳感器在中紅外波段中的應(yīng)用潛力

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，美國耶魯大學(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)開發(fā)的傳感器工作波長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，無需任何冷卻。

“這款器件采用大尺寸石墨烯制造，具有簡單的雙端子幾何結(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)，他們在室溫下觀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。

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)了超小型探測器的開發(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?！?/p>

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、生物測定和空氣質(zhì)量監(jiān)測等。

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。