石墨烯传感器在中红外波段中的应用潜力

据麦姆斯咨询报道，美国耶鲁大学（Yale University）和巴塞罗那光子学研究所（ICFO）的研究人员合作开发了一款基于石墨烯的器件，或能制成在中红外光谱工作的新型微尺寸非制冷探测器。

目前，在红外“指纹”区（充满了分子特定的光谱信息）工作的商用中红外传感器，通常需要昂贵的光电探测器材料，同时还需要对系统进行冷却，这使得仪器体积很庞大。

Yale-ICFO合作团队开发的传感器工作波长位于中红外光谱核心的12.2 um，由等离子共振器阵列组成。该器件的尺寸仅为5um x 5um，在室温下具有良好的低噪声性能，无需任何冷却。

“这款器件采用大尺寸石墨烯制造，具有简单的双端子几何结构，代表着实现片上石墨烯中红外探测器阵列的重要一步，”ICFO的Javier Garcia de Abajo和耶鲁大学Fengnian Xia领导的该合作项目，在一篇刚刚发表在“自然材料”（Nature Materials）杂志上的论文中详细介绍了该研究成果。

千兆赫兹速度

ICFO研究人员称，他们通过利用中红外光和石墨烯等离子体之间的共振耦合，能够大幅提高器件的灵敏度。

 

器件设计和运行原理

该团队在石墨烯晶圆上制造传感器，其中圆盘状等离子体谐振器，通过被称为“准一维石墨烯纳米带”实现互联。

当他们将中红外光源照射到器件上时，他们在室温下观察到了石墨烯谐振器和纳米带表面上的红外等离子体的激发和吸收。

得益于石墨烯纳米结构，他们还观察到，转换为电响应的光吸收，和等离子体吸收水平密切关联，响应时间可以实现千兆赫兹速度的探测。

在结论中，研究团队称：“这项研究的结果证明，石墨烯是室温下将光信号超快速转换为电信号的优良材料，推动了超小型探测器的开发，并可将它们集成到高分辨率中红外相机或高密度集成红外光子电路中。”

中红外应用

如果该技术可以按预期的发展，它的应用前景应该非常广阔，并且可能是突破性的。它能够实现超紧凑设备，根据分子的指纹振动和旋转激发进行识别。

可识别的分子将包括危险品和生物分子，ICFO团队建议该技术可应用于安全、生物测定和空气质量监测等。

中红外光谱的一个应用实例搭载于詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST），该望远镜准备于2020年发射。JWST的“MIRI”仪器覆盖了5~28 um的光谱区域，用于研究来自遥远星系以及新形成的恒星和微弱彗星的红移光。

 

JWST上的MIRI传感器

MIRI探测器基于砷掺杂的硅传感器，由Raytheon Vision Systems公司制造，它具有复杂的低温冷却装置，由脉冲管预冷器和Joule-Thomson环路热交换器组合提供低至7 K的温度。

审核编辑：符乾江