新型光电探测器：感知和成像能力更佳！

导读

近日，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）的研究人员采用石墨烯设计出一种新型光电探测器，这种光电探测器适用的光线的频谱范围更广，超过现有最先进的同类产品，而且处理图像的速度更快，能比现有技术更灵敏地感知低强度光线，感知和成像能力更佳。

背景

光电探测器，属于光线传感器的一种，它常用于摄像头和其他成像设备中。它们可以感知称为“光子”的基本粒子的图案，并通过这些图案创造出图像。不同的光电探测器用于感知光谱的不同部分。例如，夜视眼镜中使用的光电探测器就是用于感知肉眼不可见的热辐射。还有一些光电探测器应用于摄像头，这些摄像头通过环境中化学物质反射光线的方式来辨别它们。

光电探测器的多功能程度主要取决于三个因素：运行速度、感知低强度光线的能力、感知的频谱范围。通常来说，如果工程师们改善了这三个因素中的某一个，那么另外两个因素中就会至少有一个变得恶化。

那么，我们不禁要问：有没有一种方法可以让这三个因素都得以改善呢？

创新

近日，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）的研究人员采用石墨烯（一种目前最热门、最多功能的新材料）设计出一种新型光电探测器，让以上的三个因素都得到了改善。

这种光电探测器适用的光线频谱范围更广，超过现有最先进的同类产品，而且处理图像的速度更快，比现有技术更灵敏地感知低强度光线，感知和成像能力更佳。

（图片来源：Jarrahi 研究组 / UCLA）

这项研究得到了美国能源部的支持。研究成果发表于学术期刊《Light: Science and Applications》。

技术

这种新型光电探测器利用了石墨烯的独特性质，石墨烯是有单层碳原子组成的超薄材料。对于探测光子来说，石墨烯是一种卓越的材料，因为它可以吸收来自较宽的电磁频谱的能量，从紫外线到可见光再到红外线和微波。石墨烯也是具有非常好的导电性，能让电子畅通无阻地流过。

（图片来源：维基百科）

为了制成光电探测器，研究人员将石墨烯条带放置在二氧化硅层上，而二氧化硅层本身覆盖在硅基底上。然后，他们创造出一系列的由黄金制成的梳状纳米图案，具有100纳米宽的“梳齿”。

（图片来源：Jarrahi 研究组 / UCLA）

石墨烯如同一张网，用于捕捉入射的光子，然后将它们转化为电信号。这种黄金的梳状纳米图案快速地将信息转递至处理器，然后处理器会相应地产生出高质量的图像，即便是在低光条件下。

（图片来源：参考资料【2】）

价值

UCLA 博士后访问学者、论文领导作者 Semih Cakmakyapan 表示：“我们特别设计了石墨烯纳米带与它们的金属贴片的尺寸，使得入射的可见光和红外光都紧紧地限制在其中。这种设计高效地制造出的电信号，能跨越整个频谱范围，从可见光到红外线，追踪光线强度的超高速且轻微的变化。”

这项研究的领导者、电气与计算机工程系教授 Mona Jarrahi 表示：“我们的光电探测器可以拓展光电探测器在成像和感知系统方面应用的范围和潜力。它可以显著改善应用于夜视环境或医疗诊断应用中的热成像，在医疗诊断应用中，微小的温度变化将使得医生得到关于患者的许多信息。它也可用于环境感知技术，更加精准地分辨污染物浓度。”

关键字

参考资料

【1】http://newsroom.ucla.edu/releases/photodetector-improve-night-vision-thermal-sensing-medical-imaging

【2】Semih Cakmakyapan, Ping Keng Lu, Aryan Navabi, Mona Jarrahi. Gold-patched graphene nano-stripes for high-responsivity and ultrafast photodetection from the visible to infrared regime. Light: Science & Applications, 2018; 7 (1) DOI: 10.1038/s41377-018-0020-2

---

了解更多前沿技术文章，请点击“阅读原文”。咨询和交流，请联系微信：JohnZh1984