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超快石墨烯光电探测器可实现宽波段、高灵敏度成像

  近日,加州大学洛杉矶分校萨缪工程学院利用石墨烯开发出一种新型光电探测器。与现有最先进的光电探测器相比,该器件光谱探测范围更宽、灵敏度更高、成像能力更强,研究成果目前已发表在《光:科学和应用》杂志。

  光电探测器是光学传感器的一种,常用于相机或其他成像设备中,可感知光子模式,并从这些模式中创建图像。不同的光电探测器感应光谱的不同部分。例如,用于夜视护目镜的光电探测器可感应肉眼不可见的热辐射。照相机中的光电探测器通过反射光识别环境中的化学物质。

  光电探测器性能高低主要取决于三个功能:运行速度、对较弱光线的灵敏度,以及感知的频谱范围。通常情况下,当改进某一功能时,另外两个功能中至少有一个会降低。

  加州大学洛杉矶分校团队设计的光电探测器,同时改进了这三个功能。新的光电探测器工作波段更宽,处理图像速度更快,对较弱光线灵敏度更高。

  负责该研究的电气和计算机工程教授莫娜 贾拉希说:“我们的光电探测器可以扩展光电探测器在成像和传感系统中的范围和潜在用途,可以显著提高夜间热成像能力或医疗诊断能力,温度的细微差异可以为医生提供大量患者信息。它还可以用于环境传感技术,更准确地识别污染物浓度。”

  新的光电探测器利用了石墨烯的独特性质,它是由碳原子构成的超薄单层材料。对于探测光子来说,石墨烯是优异材料之一,因为它可以从广泛的电磁波谱中吸收能量,从紫外光到可见光再到红外和微波波段。石墨烯也是一种非常好的电导体,能让电子畅通无阻地流过。

  为了制成光电探测器,研究人员将石墨烯条置于二氧化硅层上,二氧化硅层本身覆盖在硅基底。然后,他们创造了一系列梳状纳米图案,梳状纳米图案由金制成,齿宽 100 纳米。

  石墨烯作为一个网络来捕捉入射光子,然后将它们转换成电信号。这种金色梳状纳米图案可以快速将这些信息传输到处理器中,即使在光线不足的情况下,该处理器也可以产生相应的高质量图像。

  “我们专门设计了石墨烯纳米条纹及其金属贴片的尺寸,使得入射的可见光和红外光紧紧地限制在它们内部。”该研究的主要作者,加州大学洛杉矶分校博士后研究员 Semih Cakmakyapan 说,“这种设计能够有效地产生一个电信号,该信号遵循从可见光到红外光的整个光谱范围内光强度的超快和微妙变化。”

  本文来自中国国防科技信息中心,本文观点不代表利特纳米立场,转载请联系原作者。