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Nature子刊:石墨烯特殊装置将中红外光转换为电信号

关键词 石墨烯 , 光电|2018-09-25 10:40:49|来源 材料科技在线
摘要 一个研究小组开发了一种装置,可以利用石墨烯材料来检测中红外光,并在室温下有效地将其转换成电信号。这是一个突破,可能会带来更好的通信系统,热成像仪以及其他技术。这项研究发表在《自然材...

       

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       一个研究小组开发了一种装置,可以利用石墨烯材料来检测中红外光,并在室温下有效地将其转换成电信号。这是一个突破,可能会带来更好的通信系统,热成像仪以及其他技术。
       这项研究发表在《自然材料》杂志上,这项成果是工程与科学副教授Fengnian Xia, Barton L. Weller的实验室和西班牙光子科学研究所(ICFO)F. Javier Garcia de Abajo实验室之间合作完成的。
       8至14微米的中红外辐射在热成像和揭示分子特异性光谱信息方面非常有用。此外,这种辐射可以在空气中传播而不会出现损失,表明它在自由空间通信和遥感方面存在巨大潜力。然而,传统室温中红外探测器由于热容量大,导致散热时间非常长。
       本研究中所展示的装置利用了高导电石墨烯(单层碳原子)及其等离子体(集体电子振荡的量子)的独特性质。
       “石墨烯可以把中红外光转换成等离子体,然后等离子体可以转化为热量,” Xia实验室的博士生Qiushi Guo说,他是这项研究的第一作者。石墨烯真正的独特之处在于,由等离子衰变引起的电子升温远高于其它材料。”
       石墨烯的电阻对室温下的温度不敏感,因此,除了极冷的温度之外,很难用电检测中红外光,这意味着它不能集成到可用的设备中。为此,研究人员开发了一种新装置,这种装置的特征是石墨烯圆盘等离子体谐振器通过准一维纳米带连接。它能有效地检测室温下的中红外光。
       Guo说:“我们的装置拥有人造纳米结构,可以把光转换成等离子体,然后变成电子热。”同时它的电阻也对温度上升非常敏感。与石墨烯片中的不同,在窄的石墨烯纳米带中,电子传输强烈依赖于电子的热能。
       Guo说,更重要的是,这个装置对中红外辐射反应非常迅速。现有的室温热传感器一般具有大的比热容和良好设计的绝热结构。它们通常需要毫秒的时间来加热。但对于石墨烯,它可以超过1纳秒,或者仅仅10亿分之一秒。”这使得石墨烯探测器非常适合在中红外高速自由空间进行通信应用,这超出了在室温下工作的传统微测辐射热计的范围。
       这个设备结构简单、可扩展。值得注意的是,设备的覆盖区甚至比光的波长还要小。它为中红外光子学提供了许多新的机会,例如,构建具有亚波长像素的高分辨率中红外相机,或者集成在光子集成电路上,以便在单个芯片上实现中红外光谱仪。


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