超快高敏石墨烯光電探測器在美誕生

　美國馬里蘭大學(xué)納米物理和先進(jìn)材料中心的研究人員開發(fā)出一種新型熱電子輻射熱測量計(jì)，這種紅外光敏探測器能廣泛應(yīng)用于生化武器的遠(yuǎn)距離探測、機(jī)場安檢掃描儀等安全成像技術(shù)領(lǐng)域，并促進(jìn)對于宇宙結(jié)構(gòu)的研究等。

　　科學(xué)家利用雙層石墨烯了這款輻射熱測量計(jì)。石墨烯具有*零能耗的帶隙，因此其能吸收任何能量形式的光子，特別是能量極低的光子，如太赫茲或紅外及亞毫米波等。所謂光子帶隙是指某一頻率范圍的波不能在此周期性結(jié)構(gòu)中傳播，即這種結(jié)構(gòu)本身存在“禁帶”。光子帶隙結(jié)構(gòu)能使某些波段的電磁波*不能在其中傳播，于是在頻譜上形成帶隙。

　　而石墨烯的另一特性也使其十分適合作為光子吸收器：吸收能量的電子仍能保持自身的，不會(huì)因?yàn)椴牧显拥恼駝?dòng)而損失能量。同時(shí)，這一特性還使得石墨烯具有極低的電阻。研究人員正是基于石墨烯的這兩種特性設(shè)計(jì)出了熱電子輻射熱測量計(jì)，它能通過測量電阻的變化而工作，這種變化是由電子吸光之后自身變熱所致。

　　通常來說，石墨烯的電阻幾乎不受溫度的影響，并不適用于輻射熱測量計(jì)。因此研究人員采用了一種特別的技巧：當(dāng)雙層石墨烯暴露于電場時(shí)，其具有一個(gè)大小適中的帶隙，既可將電阻和溫度起來，又可保持其吸收低能量紅外光子的能力。

　　研究人員發(fā)現(xiàn)，在5開氏度的情況下，新型輻射熱測量計(jì)可達(dá)到與現(xiàn)有輻射熱測量計(jì)同等的靈敏度，但速度可增快1000多倍。他們推測其可在更低的溫度下，超越目前所有的探測技術(shù)。

　　新裝置作為快速、敏感、低噪聲的亞毫米波探測器尤具前景。亞毫米波的光子由相對涼爽的星際分子所發(fā)出，因此很難被探測到。通過觀察這些星際分子云，天文學(xué)家能夠研究恒星和星系形成的早期階段。而敏感的亞毫米波探測器能幫助構(gòu)建新的天文臺(tái)，確定十分遙遠(yuǎn)的年輕星系的紅移和質(zhì)量，從而推進(jìn)有關(guān)暗能量和宇宙結(jié)構(gòu)發(fā)展的研究。

　　雖然一些挑戰(zhàn)仍然存在，比如雙層石墨烯只能吸收很少部分的入射光，這使得新型輻射熱測量計(jì)要比使用其他材料的類似設(shè)備具備更高的電阻，因而很難在高頻下正常工作，但研究人員稱，他們正在努力改進(jìn)自身的設(shè)計(jì)以克服上述困難，其亦對石墨烯作為光電探測材料的光明前景抱有極大信心。

超快高敏石墨烯光電探測器在美誕生