研究人員開發了一種能在室溫下工作的石墨烯中紅外探測器

一組研究人員開發出一種器件，這種器件利用石墨烯材料探測中紅外線，並在室溫下有效地將其轉換為電信號。這是一項突破，可以帶來更好的通信系統、熱成像儀和其他技術。

該研究發表在Nature Materials（「Efficient electrical detection of mid-infrared graphene plasmons at room temperature」）上，是由工程與科學Barton L. Weller副教授Fengnian Xia的實驗室和西班牙光子科學研究所（ICFO）的F. Javier Garcia de Abajo合作完成的。

圖示為石墨烯中紅外探測器。入射的中紅外光激發了石墨烯納米結構中的等離子體併產生熱量。（圖片來源： Xia 實驗室成員Cheng Li）

8至14微米的中紅外輻射在熱成像和揭示分子特異性光譜信息方面非常有用。此外，這種輻射可以在空氣中傳播而沒有明顯的損失，這表明它在自由空間通信和遙感方面具有巨大的潛力。然而，傳統的室溫中紅外-紅外探測器由於熱容量大而非常慢，導致散熱時間很長。

這項研究中展示的器件充分利用了高導電、原子級薄的石墨烯的獨特性質，石墨烯是單層碳原子，其等離子體是一種集體電子振蕩。

「石墨烯是一種可以將中紅外光轉換成等離子體，隨後等離子體可以轉化為熱量的材料，」Qiushi Guo博士說，他是Xia的實驗室學生和該研究的第一作者。「石墨烯的真正獨特之處在於等離子體衰變引起的電子溫度升高遠遠高於其他材料」

石墨烯的電阻對室溫下的溫度非常不敏感，因此，除極冷的溫度外，很難對中紅外線進行電子探測，這意味著它無法集成到可用的設備中。為此，在這項工作中，研究人員開發了一種新設備，其特點是通過准一維納米帶連接的石墨烯盤等離子體共振器。這樣可以有效地檢測室溫下的中紅外線。

「我們的器件具有人造納米結構，可將光轉換為等離子體，然後轉化為電子熱能，」 Guo說。「它的電阻對溫度升高也非常敏感。與石墨烯薄片不同，在窄石墨烯納米帶中，電子傳輸很大程度依賴於電子的熱能。」

更重要的是，Guo說，該器件對中紅外輻射的響應非常迅速。「現有的室溫熱感測器通常具有大的熱容量和精心設計的隔熱結構。它們通常需要幾毫秒才能升溫。但對於石墨烯來說，它可以是超快的 – 僅僅一納秒，或者只有十億分之一秒。」

這使得石墨烯探測器非常適合於中紅外的高速自由空間通信應用，這是在室溫下操作的傳統微測輻射熱計無法企及的。

該器件簡單且可伸縮。值得注意的是，器件佔位面積甚至可以小於光的波長。「它為中紅外光子學提供了許多新的機會，」Xia說。「例如，建造具有亞波長像素的高解析度中紅外相機，或者將其集成在光子集成電路上，以便在單個晶元上實現中紅外光譜儀。」

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