石墨烯可實現超高靈敏度紅外探測器

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來自劍橋大學(英國),Emberion(英國),光子科學研究所(ICFO;西班牙),諾基亞英國和約阿尼納大學(希臘)的石墨烯旗艦研究人員開發了一種新型石墨烯熱電測輻射熱計 - 一種紅外(IR)探測器,具有記錄靈敏度,可用于熱探測,能夠將溫度變化降低到幾十μK。這項工作可能為高性能紅外成像和光譜學打開了大門。

劍橋團隊開發靈敏的紅外輻射計

該技術的重點是檢測人體產生的輻射并將其轉換為可測量的信號。關鍵是使用石墨烯,轉換的性能比現有的最佳傳感器好250多倍。但是,探測器的高靈敏度可用于熱成像之外的光譜應用。使用基于石墨烯的高性能紅外探測器,可以在較少的入射輻射下提供強信號,可以隔離紅外光譜的不同部分。這在安全應用中至關重要,在安全應用中,不同的材料 - 例如爆炸物 - 可以通過其特有的IR吸收或透射光譜來區分。

基于石墨烯的器件由熱電基板構成,其具有單層石墨烯的導電溝道和位于頂部的浮柵電極。在熱電材料中,溫度的變化導致材料內部的自發電場。浮柵電極將該場集中在石墨烯上,并且該場引起石墨烯的電阻的變化,其被測量為器件輸出。典型的紅外光電探測器通過熱電效應或作為測輻射熱計工作,測量電阻由于加熱而變化。基于石墨烯的熱電測輻射熱計結合了兩種效果,具有出色的性能,可用作高分辨率熱成像相機中的像素。

該團隊解釋說,石墨烯可作為熱釋電信號的內置放大器,無需像典型的熱電熱探測器那樣需要外部晶體管放大器。這種直接集成意味著連接到外部放大電路沒有損耗和額外噪聲。“我們可以直接在熱釋電材料上構建放大器。因此,它產生的所有電荷都歸放大器。一路上沒有任何損失,“該作品的合著者說。

石墨烯的使用還為將探測器像素與用于與探測器像素和記錄設備接口的外部讀出集成電路(ROIC)進一步集成提供了益處。“為了匹配ROIC的輸入阻抗,您需要盡可能具有導電性的東西。石墨烯的固有電導率有助于進一步與硅結合,“科學家說。阻抗匹配對于確保盡可能有效地傳輸信號至關重要。這種益處是石墨烯獨有的,因為它具有高導電性和強場效應。

劍橋大學的研究人員開發出一種高性能室溫石墨烯中紅外光電探測器。這種基于石墨烯的“輻射熱測量計”使研究人員能夠實現超高性能 - TCR高達900%/ K. 研究人員希望這種設備將來可用于天文學,醫學成像,汽車甚至智能手機紅外線相機。

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