一文看懂基于石墨烯的新型光電探測器

一文看懂基于石墨烯的新型光電探測器

當前技術背景下，研究者在設計光電探測器時，需要在帶寬、靈敏度與速度之間做出權衡與犧牲。加州大學洛杉磯分校（UCLA）的設計解決了這種兩難選擇。

據麥姆斯咨詢報道，來自加州大學洛杉磯分校的薩姆厄里工程學院（the UCLA Samueli School of Engineering）的工程師們采用石墨烯發明了一款新型光電探測器，它比目前最先進的光電探測器能處理更多類型的光。同時，該器件還具有出色的傳感和成像能力。



光電探測器是光傳感器；在照相機和其他成像器件中，光電探測器可感知被稱為光子的基本粒子的圖案，并根據這些圖案創造圖像。不同的光電探測器可感知到的光譜范圍不同。例如，在夜視鏡中，就可使用光探測器來感知肉眼不可見的熱輻射。另外，通過了解物質反射光的特性，光電探測器還可用于識別環境中的化學物質。



光電探測器的多用途和可用性主要取決于以下三個因素：器件的運行速度，器件對較低亮度的靈敏度，以及器件能感知光譜的范圍。通常情況下，工程師們在改進光電探測器的上述任意關鍵因素時，至少需要削弱另外兩項因素的一種。



然而，UCLA研究小組設計的光電探測器，在這三方面都有很大的改進：該光電探測器探測的光譜范圍更廣，處理圖像的速度更快，對低亮度光線比當前技術更靈敏。

領導該項研究的電子與計算機工程教授Mona Jarrahi認為：“我們的光電探測器可擴展成像和傳感系統中光電探測器的探測范圍和潛在用途。該光電探測器可極大地改善夜視和醫學診斷應用中的熱成像，在醫學診斷中，溫度的細微差別可以為醫生提供大量的病人信息。該光電器件也可用于環境傳感技術，以更準確地識別污染物的濃度。”



該項研究已發表于Light: Science and Applications《光：科學與應用》雜志。



石墨烯是由單層碳原子組成的超薄材料，新型光電探測器利用了石墨烯的獨特特性。石墨烯是檢測光子的優秀材料——這是由于石墨烯能從廣泛的電磁波譜（從紫外線到可見光，再到紅外線和微波波段）中吸收能量。石墨烯也是優秀的電流導體——這是由于電子可以暢通無阻地穿過石墨烯。



為了構建光電探測器，研究人員在本身覆蓋了硅基的二氧化硅層上鋪設了石墨烯。然后，研究人員創造了一系列由黃金制成的梳齒狀納米級圖案，“梳齒”約有100nm寬。



石墨烯可當作網來捕捉進入的光子，然后將它們轉換成電信號。金梳齒狀納米圖案迅速將這些信息傳輸至處理器，從而產生相應的高質量圖像，即使在低光照條件下也能保持如此性能。



UCLA的博士后學者、該項研究的主要作者SemihCakmakyapan說：“我們專門設計了石墨烯納米條紋和其金屬貼片的尺寸，這樣一來，進入的可見光和紅外光就會被緊緊束縛在里面。在整個光譜范圍內（從可見光到紅外波段），這種設計能有效地產生‘可遵循光強度的超快和細微變化’的電信號。”



該研究的其他作者為UCLA的研究生Ping Keng Lu和Aryan Navabi。同時，該項研究還得到了美國能源部（the Department of Energy）的支持。