基于石墨烯和硅肖特基接觸的紅外輻射傳感器

考納斯工業(yè)大學(xué)（KTU）材料科學(xué)研究所的一組研究人員創(chuàng)建了新的基于石墨烯和硅肖特基接觸的紅外輻射傳感器，這些傳感器比目前市場(chǎng)上使用的紅外傳感器更有效。

新型紅外傳感器可以助力我們從太空進(jìn)行地球觀測(cè)，進(jìn)行行星際飛行任務(wù)以探索其他行星的大氣層或?qū)ふ一鹦巧系纳?。如果不將紅外線傳感器安裝在各種設(shè)備中，所有這些都不能實(shí)現(xiàn)。此外，該傳感器還用于夜視設(shè)備，建筑節(jié)能控制系統(tǒng)，光通信線路，運(yùn)動(dòng)傳感器和藥品等行業(yè)應(yīng)用。

如今機(jī)場(chǎng)還使用這種傳感器來(lái)遠(yuǎn)程測(cè)量乘客的體溫，以識(shí)別感染了Covid-19病毒的人。

事實(shí)上，在過(guò)去的幾年中，考納斯工業(yè)大學(xué)（KTU）的研究人員一直在努力改進(jìn)這些傳感器。

該研究小組的首席研究員?ar?nasMe?kinis博士認(rèn)為，與其他紅外傳感器相比，肖特基接觸傳感器的制造技術(shù)非常簡(jiǎn)單。這些傳感器的許多陣列可以制成在半導(dǎo)體板上，例如硅板。肖特基接觸傳感器的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度快。

“但是，這些傳感器的主要缺點(diǎn)之一是靈敏度低。那是因?yàn)樗鼈冎荒軐⒁恍〔糠止饬Ｗ?光子-轉(zhuǎn)換成光電子。因此，我們決定在石墨烯上制造納米結(jié)構(gòu)的金屬等離子體吸收器，從而提高了這些傳感器的靈敏度。”?ar?nasMe?kinis博士說(shuō)。

考納斯工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)的石墨烯-有機(jī)硅紅外傳感器（俯視圖）

傳感器的應(yīng)用–從氣象到太空觀測(cè)

肖特基接觸式光電傳感器可用于人造地球衛(wèi)星，以監(jiān)測(cè)水和土地邊界，森林火災(zāi)，熔巖流。它們還用于氣象，以評(píng)估植物和土壤，地質(zhì)，光通信系統(tǒng)中的水位。

這些傳感器用于研究其他行星：礦物學(xué)分析，行星大氣中的大氣現(xiàn)象以及尋找可能的生命跡象。它們對(duì)于太空中的許多類(lèi)型的研究都很重要?！?ar?nasMe?kinis博士說(shuō)。

由KTU研究人員創(chuàng)建的傳感器可以以多種方式應(yīng)用。?ar?nasMe?kinis博士認(rèn)為，首先要考慮的是使這些傳感器適應(yīng)光學(xué)編碼。光學(xué)編碼器是高精度的光機(jī)械設(shè)備，旨在測(cè)量最小位移，距離，機(jī)械設(shè)備及其組件的精度以及轉(zhuǎn)速。

“在太空中，光學(xué)編碼器用于激光通信終端，地面光學(xué)衛(wèi)星站。此外，在低軌道衛(wèi)星與地球之間的基于激光的通信中，航天器激光定位器（LiDAR），安裝在衛(wèi)星上的攝像機(jī)，太空望遠(yuǎn)鏡，” KTU研究人員說(shuō)。

石墨烯使傳感器更加靈敏

肖特基接觸傳感器通常由生長(zhǎng)在半導(dǎo)體上的金屬層組成。該金屬在半導(dǎo)體表面層中產(chǎn)生電場(chǎng)。

“當(dāng)在金屬或半導(dǎo)體表面層中產(chǎn)生光電子（由原子從原子釋放的自由電子）時(shí)，它們可以被電場(chǎng)提取并形成所謂的光電流，該光電流可以測(cè)量并用于評(píng)估光強(qiáng)度（包括紅外線輻射。”?ar?nasMe?kinis博士說(shuō)。

由于常規(guī)傳感器只能將一小部分光子-光子轉(zhuǎn)換為光電子，因此研究人員決定使用石墨烯代替金屬來(lái)解決此問(wèn)題，并以此方式提高此類(lèi)傳感器的靈敏度。

因?yàn)槭┦浅〉模詻](méi)有自由電子散射問(wèn)題。結(jié)果，在石墨烯中產(chǎn)生的幾乎所有光電子都將以適當(dāng)?shù)慕嵌鹊竭_(dá)石墨烯和半導(dǎo)體結(jié)，并流向半導(dǎo)體。傳感器中產(chǎn)生的光電流將比金屬半導(dǎo)體接觸器中的光電流大得多?！?ar?nasMe?kinis博士解釋說(shuō)。

然而，石墨烯的超小厚度也是要解決的重要問(wèn)題。一層石墨烯只能吸收到達(dá)它的光子的2.3％。

“我們通過(guò)在石墨烯上形成特殊的金屬納米結(jié)構(gòu)（稱(chēng)為等離子體納米結(jié)構(gòu)液體）解決了這一問(wèn)題。他們提高了光電傳感器的靈敏度。”研究人員解釋說(shuō)。

盡管金屬半導(dǎo)體肖特基接觸式傳感器已經(jīng)在市場(chǎng)上銷(xiāo)售了30多年，但?ar?nasMe?kinis博士指出，石墨烯和半導(dǎo)體Shottky接觸式光電傳感器尚未量產(chǎn)。