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超快石墨烯光電探測器可實現寬波段、高靈敏度成像

  近日,加州大學洛杉磯分校薩繆工程學院利用石墨烯開發出一種新型光電探測器。與現有最先進的光電探測器相比,該器件光譜探測範圍更寬、靈敏度更高、成像能力更強,研究成果目前已發表在《光:科學和應用》雜誌。

  光電探測器是光學傳感器的一種,常用於相機或其他成像設備中,可感知光子模式,並從這些模式中創建圖像。不同的光電探測器感應光譜的不同部分。例如,用於夜視護目鏡的光電探測器可感應肉眼不可見的熱輻射。照相機中的光電探測器通過反射光識別環境中的化學物質。

  光電探測器性能高低主要取決於三個功能:運行速度、對較弱光線的靈敏度,以及感知的頻譜範圍。通常情況下,當改進某一功能時,另外兩個功能中至少有一個會降低。

  加州大學洛杉磯分校團隊設計的光電探測器,同時改進了這三個功能。新的光電探測器工作波段更寬,處理圖像速度更快,對較弱光線靈敏度更高。

  負責該研究的電氣和計算機工程教授莫娜 賈拉希說:“我們的光電探測器可以擴展光電探測器在成像和傳感係統中的範圍和潛在用途,可以顯著提高夜間熱成像能力或醫療診斷能力,溫度的細微差異可以為醫生提供大量患者信息。它還可以用於環境傳感技術,更準確地識別汙染物濃度。”

  新的光電探測器利用了石墨烯的獨特性質,它是由碳原子構成的超薄單層材料。對於探測光子來說,石墨烯是優異材料之一,因為它可以從廣泛的電磁波譜中吸收能量,從紫外光到可見光再到紅外和微波波段。石墨烯也是一種非常好的電導體,能讓電子暢通無阻地流過。

  為了製成光電探測器,研究人員將石墨烯條置於二氧化矽層上,二氧化矽層本身覆蓋在矽基底。然後,他們創造了一係列梳狀納米圖案,梳狀納米圖案由金製成,齒寬 100 納米。

  石墨烯作為一個網絡來捕捉入射光子,然後將它們轉換成電信號。這種金色梳狀納米圖案可以快速將這些信息傳輸到處理器中,即使在光線不足的情況下,該處理器也可以產生相應的高質量圖像。

  “我們專門設計了石墨烯納米條紋及其金屬貼片的尺寸,使得入射的可見光和紅外光緊緊地限製在它們內部。”該研究的主要作者,加州大學洛杉磯分校博士後研究員 Semih Cakmakyapan 說,“這種設計能夠有效地產生一個電信號,該信號遵循從可見光到紅外光的整個光譜範圍內光強度的超快和微妙變化。”

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