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高精度石墨烯紅外探測器問世

2019-07-25 20:46:11

日前,由23個國家150多個研究團隊組成的國際聯盟 Graphene Flagship 運用納米材料石墨烯研發出一款高精度的新型紅外探測器。

正如眾人合心,其力斷金。全球科技軟實力的鑄造離不開每一個國家的參與創新。日前,由23個國家150多個研究團隊組成的國際聯盟 Graphene Flagship 運用納米材料石墨烯研發出一款高精度的新型紅外探測器。

據團隊介紹,這種新型探測儀可檢測出納瓦級的熱輻射變化——相當於手輕輕擺動時釋放出的能量的千分之一。石墨烯的優點是在高性能紅外成像和光譜學中的開放性可能性。來自劍橋大學(英國),恩伯頓有限公司(英國),光子科學學院(ICFO;西班牙),諾基亞和約阿尼納大學(希臘)工作的Graphene Flagship的研究人員開發了一種基於石墨烯的,通過紅外輻射檢測,對於溫度的微小變化的測量,具有極高精確性的熱釋電熱輻射測量儀。

在《自然·通訊》上發表的工作證明了基於石墨烯的非冷卻熱檢測器的最高報告的溫度敏感性,能夠將溫度變化分解為幾十μK。僅需要幾納米的IR輻射功率來在隔離器件中產生這樣小的溫度變化,比通過緊密靠近的人手遞送到檢測器的IR功率小大約1000倍。
 
  石墨烯紅外探測器,可檢測出極微小的熱輻射變化

檢測器的高靈敏度對於超過熱成像的光譜應用是非常有用的。使用高性能的基於石墨烯的IR檢測器,可以提供較少的入射輻射的強信號,可以隔離IR光譜的不同部分。這在安全應用中是至關重要的,其中不同的材料(例如爆炸物)可以通過它們的特征IR吸收或透射光譜來區分。

恩伯頓首席工程師和研究的聯合負責人Alan Colli博士說:“使用更高靈敏度的檢測器,可以限製大的熱帶,並且仍然使用在非常窄的光譜範圍內的光子形成圖像,並且做多光譜紅外成像對於安全檢查,有特定的簽名,材料在窄帶中發射或吸收,因此,需要一個在窄帶中訓練的檢測器,這在尋找爆炸物,有害物質或任何分類。”

典型的IR光電探測器通過熱電效應或作為測量由於加熱引起的電阻變化的測輻射熱計進行操作。基於石墨烯的熱釋電測輻射熱計將這兩種方法與石墨烯的優異電性能相結合,以獲得最佳性能。石墨烯作為信號的內置放大器,消除了對外部晶體管的需要,意味著沒有寄生電容的損失和顯著低的噪聲。

石墨烯的高電導率還提供與用於與檢測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。隨著石墨烯質量的持續改進(例如,更高的遷移率),可以製造具有擴展的動態範圍(器件將可靠地工作的溫度範圍)的穩健器件,同時保持相同的優異的溫度響應性。

劍橋石墨烯dota2博彩app軟件主任Andrea Ferrari教授說,“這項工作是石墨烯在應用路線圖上穩步前進的另一個例子,恩伯頓是一家新公司,專門生產石墨烯光子學和電子學紅外光電探測器和熱傳感器,這項工作例證了基礎科學技術如何可以導致迅速的商業化。”Andrea Ferrari是Graphene Flagship的科學技術官員,也是Graphene Flagship管理小組的主席。

該項目的合作者Frank Koppens教授是 ICFO的量子納米光電子技術的領導者,並領導Graphene Flagship的光子和光電子工作包。“石墨烯最有前途的應用之一是寬帶光電探測和成像,在任何其他現有技術的基礎上,在一個材料係統中結合可見光和紅外探測是不可能的,Graphene Flagship計劃將進一步發展高光譜成像係統,開發石墨烯獨特的方向,”他說。

Daniel Neumaier博士(德國AMO)是Graphene Flagship電子和光子學集成部門的領導者,並沒有直接參與這項工作。他說:“在過去幾年裏,紅外探測器的市場規模急劇增加,這些設備正在越來越多的應用領域,特別是光譜安全檢查變得越來越重要,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器的這些要求方麵邁出的巨大一步。”


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