理群

2018-09-19 | 前沿

美国耶鲁大学研制出可将中红外光转换为电信号的石墨烯器件

【据美国耶鲁大学网站2018年9月17日报道】美国耶鲁大学的科研人员与西班牙光子科学研究所(ICFO)合作研制出一种器件,可以在室温条件下使用石墨烯材料探测中红外光并将其转换为电信号。8至14微米的中红外辐射在热成像和显示分子特异性光谱信息方面非常有用,可以近似无损地在空气中传播,在自由空间通信和遥感方面具有巨大的应用潜力。石墨烯可以将中红外光转换成等离子体激元,随后等离子体激元会转化为热量,这些等离子体激元衰变引起的电子温度升高远远高于其他材料。

耶鲁和ICFO联合研制的器件充分利用了高导电、原子级厚度的石墨烯的这种独特性质。但室温条件下,石墨烯的电阻对温度非常不敏感,因此很难对中红外光进行电探测。为了可以在室温下的有效探测中红外光,研究人员使用准一维石墨烯纳米带来连接等离子体谐振器。与石墨烯片不同,在窄石墨烯纳米带中,电子传输非常依赖电子的热能,其电阻对温升非常敏感,对中红外辐射的反应非常迅速。现有的室温热传感器具有较大的热容量和精心设计的隔热结构,通常需要几毫秒才能升温。而对于石墨烯,其响应速度是以纳秒计的,这使得石墨烯探测器非常适合中红外的高速自由空间通信应用,这超出了传统的在室温下操作的微测辐射热计的范围。

更值得注意的是,该器件结构非常简单且可扩展,占位面积甚至可以小于光的波长,在中红外光子学应用方面有很多可能,如:制造具有亚波长像素的高分辨率中红外相机,集成到光子集成芯片上实现中红外光谱仪。该研究的相关论文《Efficient electrical detection of mid-infrared graphene plasmons at room temperature》已在Nature Materials期刊上发表。

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