石墨烯高精度新型紅外探測器誕生

　　日前，由23個國家150多個研究團隊組成的國際聯(lián)盟 Graphene Flagship 運用納米材料石墨烯研發(fā)出一款高精度的新型紅外探測器。

　　正如眾人合心，其力斷金。全球科技軟實力的鑄造離不開每一個國家的參與創(chuàng)新。日前，由23個國家150多個研究團隊組成的國際聯(lián)盟 Graphene Flagship 運用納米材料石墨烯研發(fā)出一款高精度的新型紅外探測器。

　　據(jù)團隊介紹，這種新型探測儀可檢測出納瓦級的熱輻射變化——相當于手輕輕擺動時釋放出的能量的千分之一。石墨烯的優(yōu)點是在高性能紅外成像和光譜學中的開放性可能性。來自劍橋大學（英國），恩伯頓有限公司（英國），光子科學學院（ICFO；西班牙），諾基亞和約阿尼納大學（希臘）工作的Graphene Flagship的研究人員開發(fā)了一種基于石墨烯的，通過紅外輻射檢測，對于溫度的微小變化的測量，具有極高精確性的熱釋電熱輻射測量儀。

　　在《自然·通訊》上發(fā)表的工作證明了基于石墨烯的非冷卻熱檢測器的最高報告的溫度敏感性，能夠?qū)囟茸兓纸鉃閹资蘇。僅需要幾納米的IR輻射功率來在隔離器件中產(chǎn)生這樣小的溫度變化，比通過緊密靠近的人手遞送到檢測器的IR功率小大約1000倍。

　　石墨烯紅外探測器，可檢測出極微小的熱輻射變化

　　檢測器的高靈敏度對于超過熱成像的光譜應用是非常有用的。使用高性能的基于石墨烯的IR檢測器，可以提供較少的入射輻射的強信號，可以隔離IR光譜的不同部分。這在安全應用中是至關(guān)重要的，其中不同的材料（例如爆炸物）可以通過它們的特征IR吸收或透射光譜來區(qū)分。

　　恩伯頓首席工程師和研究的聯(lián)合負責人Alan Colli博士說：“使用更高靈敏度的檢測器，可以限制大的熱帶，并且仍然使用在非常窄的光譜范圍內(nèi)的光子形成圖像，并且做多光譜紅外成像對于安全檢查，有特定的簽名，材料在窄帶中發(fā)射或吸收，因此，需要一個在窄帶中訓練的檢測器，這在尋找爆炸物，有害物質(zhì)或任何分類?！?/p>

　　典型的IR光電探測器通過熱電效應或作為測量由于加熱引起的電阻變化的測輻射熱計進行操作?；谑┑臒後岆姕y輻射熱計將這兩種方法與石墨烯的優(yōu)異電性能相結(jié)合，以獲得最佳性能。石墨烯作為信號的內(nèi)置放大器，消除了對外部晶體管的需要，意味著沒有寄生電容的損失和顯著低的噪聲。

　　石墨烯的高電導率還提供與用于與檢測器像素和記錄裝置接口的外部讀出集成電路（ROIC）的方便的阻抗匹配。隨著石墨烯質(zhì)量的持續(xù)改進（例如，更高的遷移率），可以制造具有擴展的動態(tài)范圍（器件將可靠地工作的溫度范圍）的穩(wěn)健器件，同時保持相同的優(yōu)異的溫度響應性。

　　劍橋石墨烯中心主任Andrea Ferrari教授說，“這項工作是石墨烯在應用路線圖上穩(wěn)步前進的另一個例子，恩伯頓是一家新公司，專門生產(chǎn)石墨烯光子學和電子學紅外光電探測器和熱傳感器，這項工作例證了基礎(chǔ)科學技術(shù)如何可以導致迅速的商業(yè)化?！盇ndrea Ferrari是Graphene Flagship的科學技術(shù)官員，也是Graphene Flagship管理小組的主席。

　　該項目的合作者Frank Koppens教授是 ICFO的量子納米光電子技術(shù)的領(lǐng)導者，并領(lǐng)導Graphene Flagship的光子和光電子工作包?！笆┳钣星巴镜膽弥皇菍拵Ч怆娞綔y和成像，在任何其他現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，在一個材料系統(tǒng)中結(jié)合可見光和紅外探測是不可能的，Graphene Flagship計劃將進一步發(fā)展高光譜成像系統(tǒng)，開發(fā)石墨烯獨特的方向，”他說。

　　Daniel Neumaier博士（德國AMO）是Graphene Flagship電子和光子學集成部門的領(lǐng)導者，并沒有直接參與這項工作。他說：“在過去幾年里，紅外探測器的市場規(guī)模急劇增加，這些設(shè)備正在越來越多的應用領(lǐng)域，特別是光譜安全檢查變得越來越重要，這需要在室溫下的高靈敏度。目前的工作是在滿足石墨烯紅外探測器的這些要求方面邁出的巨大一步。”相關(guān)工作全文發(fā)表在Nat． Commun．2017．（DOI： 10．1038／ncomms14311 ）上。