《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一文看懂基于石墨烯的新型光電探測(cè)器

2018-07-04
關(guān)鍵詞: 石墨烯 光電探測(cè)器 UCLA

  當(dāng)前技術(shù)背景下,研究者在設(shè)計(jì)光電探測(cè)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。

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  據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道,來(lái)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(cè)器,它比目前最先進(jìn)的光電探測(cè)器能處理更多類(lèi)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(cè)器是光傳感器;在照相機(jī)和其他成像器件中,光電探測(cè)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(cè)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(cè)器來(lái)感知肉眼不可見(jiàn)的熱輻射。另外,通過(guò)了解物質(zhì)反射光的特性,光電探測(cè)器還可用于識(shí)別環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)。

  光電探測(cè)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(duì)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?cè)诟倪M(jìn)光電探測(cè)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(cè)器,在這三方面都有很大的改進(jìn):該光電探測(cè)器探測(cè)的光譜范圍更廣,處理圖像的速度更快,對(duì)低亮度光線比當(dāng)前技術(shù)更靈敏。

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  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(cè)器可擴(kuò)展成像和傳感系統(tǒng)中光電探測(cè)器的探測(cè)范圍和潛在用途。該光電探測(cè)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(shí)別污染物的濃度?!?/p>

  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(cè)器利用了石墨烯的獨(dú)特特性。石墨烯是檢測(cè)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(jiàn)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(wú)阻地穿過(guò)石墨烯。

  為了構(gòu)建光電探測(cè)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(jí)圖案,“梳齒”約有100nm寬。

  石墨烯可當(dāng)作網(wǎng)來(lái)捕捉進(jìn)入的光子,然后將它們轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。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(shuō):“我們專(zhuān)門(mén)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(lái),進(jìn)入的可見(jiàn)光和紅外光就會(huì)被緊緊束縛在里面。在整個(gè)光譜范圍內(nèi)(從可見(jiàn)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(hào)。”

  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(guó)能源部(the Department of Energy)的支持。

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