一款新型基于石墨烯的中紅外傳感器介紹

一款新型基于石墨烯的中紅外傳感器介紹

據麥姆斯咨詢報道，美國耶魯大學（Yale University）和巴塞羅那光子學研究所（ICFO）的研究人員合作開發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（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，同時還需要對系統進行冷卻，這使得儀器體積很龐大。


Yale-ICFO合作團隊開發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構，代表著實現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Fengnian Xia領導的該合作項目，在一篇剛剛發表在“自然材料”（Nature Materials）雜志上的論文中詳細介紹了該研究成果。



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。

器件設計和運行原理

該團隊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“準一維石墨烯納米帶”實現互聯。



當他們將中紅外光源照射到器件上時，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和吸收。



得益于石墨烯納米結構，他們還觀察到，轉換為電響應的光吸收，和等離子體吸收水平密切關聯，響應時間可以實現千兆赫茲速度的探測。



在結論中，研究團隊稱：“這項研究的結果證明，石墨烯是室溫下將光信號超快速轉換為電信號的優良材料，推動了超小型探測器的開發，并可將它們集成到高分辨率中紅外相機或高密度集成紅外光子電路中。”



中紅外應用

如果該技術可以按預期的發展，它的應用前景應該非常廣闊，并且可能是突破性的。它能夠實現超緊湊設備，根據分子的指紋振動和旋轉激發進行識別。



可識別的分子將包括危險品和生物分子，ICFO團隊建議該技術可應用于安全、生物測定和空氣質量監測等。



中紅外光譜的一個應用實例搭載于詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（JWST），該望遠鏡準備于2020年發射。JWST的“MIRI”儀器覆蓋了5~28 um的光譜區域，用于研究來自遙遠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，它具有復雜的低溫冷卻裝置，由脈沖管預冷器和Joule-Thomson環路熱交換器組合提供低至7 K的溫度。

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