“石墨烯传感器”可使光检测化学物质

马里兰大学(University of Maryland)纳米物理及先进材料中心的研究人员开发了一种新型的热电子辐射热测定器,可以灵敏的检测红外光。该设备具有广阔的应用,如远距离检测化学、生化武器,用于类似机场全身扫描的安全成像技术,还可以应用于实验室的化学分析及通过新型望远镜研究宇宙结构。

由Jun Yan助理研究员、Michael Fuhrer教授及Dennis Drew教授带领的研究人员,利用双层石墨烯(双原子厚度的碳分子层)发展出一种辐射热测定仪。由于石墨烯独特的性质,这种辐射热测定仪有望在非常宽泛的光能范围敏感,从太赫兹到亚毫米波段,从红外光到可见光。

石墨烯热电子辐射热测定仪特别有希望成为一种快速、灵敏、低噪声的亚毫米波检测器,而亚毫米波通常特别难检测到。因为这些光子是由相对平静的星际分子发出来的,亚毫米波天文学正是通过观察这些星云分子来研究恒星及星系的早期形成阶段。灵敏的亚毫米波检测器正是最新天文研究所追求的,它可以测定非常年轻的星系的红移和质量,并能够研究暗能量和宇宙结构的发展。

大多数光子探测器是基于半导体。半导体材料有一段能级是禁止电子占领的,称为“带隙”。半导体中的电子可以吸收具有高于带隙能量的光子,这个特性就成为诸如光伏电池设备的基础。

石墨烯是单原子层厚度的石墨片,具有独特的准零带隙性质,因此它可以吸收任何能量的光子。这个性质使石墨烯应用在吸收非常低能量的光子(可穿透大多数半导体的太赫兹和红外光)方面特别引人注目。作为一种光子吸收材料,石墨烯还有另外一个迷人的特性,电子吸收的能量能够被高效的保持,而不是通过材料中原子的振动损失掉。这个性质也导致石墨烯具有非常低的电阻。

马里兰大学的研究人员利用这两个特性设计了热电子辐射热测定器。它是通过测量电子因吸收光后发热而导致的电阻变化来工作的。

通常石墨烯的电阻几乎与温度无关,并不适合做辐射热测定器。因此马里兰大学的研究人员用了一个特别的技巧:当双层石墨烯暴露在电场下就会形成一个小的带隙,带隙足以使其电阻与温度有强烈依赖关系,但仍足够小以保持其吸收低能量红外光子的能力。

研究人员发现,在5K温度工作的双层石墨烯热电子辐射热测定器的灵敏度与现有的在相近温度工作的辐射热测定器相当,但其速度提高了超过一千倍。他们推测石墨烯辐射热测定器工作在更低温度的性能则可能击败所有现有的技术。

目前依然存在一些挑战。双层石墨烯辐射热测定器与用其他材料的相似设备相比具有较高的电阻,可能使其难以被高频率的使用。而且双层石墨烯只吸收小部分的入射光。无论如何马里兰大学的研究人员正致力于通过新的器件设计来克服这些困难,并相信石墨烯作为光检测材料具有光明的未来。