石墨烯高精度新型紅外探測(cè)器誕生

　　日前，由23個(gè)國(guó)家150多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)組成的國(guó)際聯(lián)盟 Graphene Flagship 運(yùn)用納米材料石墨烯研發(fā)出一款高精度的新型紅外探測(cè)器。

　　正如眾人合心，其力斷金。全球科技軟實(shí)力的鑄造離不開(kāi)每一個(gè)國(guó)家的參與創(chuàng)新。日前，由23個(gè)國(guó)家150多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)組成的國(guó)際聯(lián)盟 Graphene Flagship 運(yùn)用納米材料石墨烯研發(fā)出一款高精度的新型紅外探測(cè)器。

　　據(jù)團(tuán)隊(duì)介紹，這種新型探測(cè)儀可檢測(cè)出納瓦級(jí)的熱輻射變化——相當(dāng)于手輕輕擺動(dòng)時(shí)釋放出的能量的千分之一。石墨烯的優(yōu)點(diǎn)是在高性能紅外成像和光譜學(xué)中的開(kāi)放性可能性。來(lái)自劍橋大學(xué)（英國(guó)），恩伯頓有限公司（英國(guó)），光子科學(xué)學(xué)院（ICFO；西班牙），諾基亞和約阿尼納大學(xué)（希臘）工作的Graphene Flagship的研究人員開(kāi)發(fā)了一種基于石墨烯的，通過(guò)紅外輻射檢測(cè)，對(duì)于溫度的微小變化的測(cè)量，具有極高精確性的熱釋電熱輻射測(cè)量?jī)x。

　　在《自然·通訊》上發(fā)表的工作證明了基于石墨烯的非冷卻熱檢測(cè)器的最高報(bào)告的溫度敏感性，能夠?qū)囟茸兓纸鉃閹资蘇。僅需要幾納米的IR輻射功率來(lái)在隔離器件中產(chǎn)生這樣小的溫度變化，比通過(guò)緊密靠近的人手遞送到檢測(cè)器的IR功率小大約1000倍。

　　石墨烯紅外探測(cè)器，可檢測(cè)出極微小的熱輻射變化

　　檢測(cè)器的高靈敏度對(duì)于超過(guò)熱成像的光譜應(yīng)用是非常有用的。使用高性能的基于石墨烯的IR檢測(cè)器，可以提供較少的入射輻射的強(qiáng)信號(hào)，可以隔離IR光譜的不同部分。這在安全應(yīng)用中是至關(guān)重要的，其中不同的材料（例如爆炸物）可以通過(guò)它們的特征IR吸收或透射光譜來(lái)區(qū)分。

　　恩伯頓首席工程師和研究的聯(lián)合負(fù)責(zé)人Alan Colli博士說(shuō)：“使用更高靈敏度的檢測(cè)器，可以限制大的熱帶，并且仍然使用在非常窄的光譜范圍內(nèi)的光子形成圖像，并且做多光譜紅外成像對(duì)于安全檢查，有特定的簽名，材料在窄帶中發(fā)射或吸收，因此，需要一個(gè)在窄帶中訓(xùn)練的檢測(cè)器，這在尋找爆炸物，有害物質(zhì)或任何分類。”

　　典型的IR光電探測(cè)器通過(guò)熱電效應(yīng)或作為測(cè)量由于加熱引起的電阻變化的測(cè)輻射熱計(jì)進(jìn)行操作?；谑┑臒後岆姕y(cè)輻射熱計(jì)將這兩種方法與石墨烯的優(yōu)異電性能相結(jié)合，以獲得最佳性能。石墨烯作為信號(hào)的內(nèi)置放大器，消除了對(duì)外部晶體管的需要，意味著沒(méi)有寄生電容的損失和顯著低的噪聲。

　　石墨烯的高電導(dǎo)率還提供與用于與檢測(cè)器像素和記錄裝置接口的外部讀出集成電路（ROIC）的方便的阻抗匹配。隨著石墨烯質(zhì)量的持續(xù)改進(jìn)（例如，更高的遷移率），可以制造具有擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)范圍（器件將可靠地工作的溫度范圍）的穩(wěn)健器件，同時(shí)保持相同的優(yōu)異的溫度響應(yīng)性。

　　劍橋石墨烯中心主任Andrea Ferrari教授說(shuō)，“這項(xiàng)工作是石墨烯在應(yīng)用路線圖上穩(wěn)步前進(jìn)的另一個(gè)例子，恩伯頓是一家新公司，專門生產(chǎn)石墨烯光子學(xué)和電子學(xué)紅外光電探測(cè)器和熱傳感器，這項(xiàng)工作例證了基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)如何可以導(dǎo)致迅速的商業(yè)化。”Andrea Ferrari是Graphene Flagship的科學(xué)技術(shù)官員，也是Graphene Flagship管理小組的主席。

　　該項(xiàng)目的合作者Frank Koppens教授是 ICFO的量子納米光電子技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，并領(lǐng)導(dǎo)Graphene Flagship的光子和光電子工作包?！笆┳钣星巴镜膽?yīng)用之一是寬帶光電探測(cè)和成像，在任何其他現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，在一個(gè)材料系統(tǒng)中結(jié)合可見(jiàn)光和紅外探測(cè)是不可能的，Graphene Flagship計(jì)劃將進(jìn)一步發(fā)展高光譜成像系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)石墨烯獨(dú)特的方向，”他說(shuō)。

　　Daniel Neumaier博士（德國(guó)AMO）是Graphene Flagship電子和光子學(xué)集成部門的領(lǐng)導(dǎo)者，并沒(méi)有直接參與這項(xiàng)工作。他說(shuō)：“在過(guò)去幾年里，紅外探測(cè)器的市場(chǎng)規(guī)模急劇增加，這些設(shè)備正在越來(lái)越多的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是光譜安全檢查變得越來(lái)越重要，這需要在室溫下的高靈敏度。目前的工作是在滿足石墨烯紅外探測(cè)器的這些要求方面邁出的巨大一步?！毕嚓P(guān)工作全文發(fā)表在Nat． Commun．2017．（DOI： 10．1038／ncomms14311 ）上。