纳米石墨烯可实现红外“颜色”检测和成像

中佛罗里达大学（UCF）研究员、UCF纳米科学技术中心教授Debashis Chanda开发了一种检测不同波长或“颜色”的长波红外（LWIR）光子的新技术。

该研究最近发表在《纳米快报》上

新的检测和成像技术将应用于通过光谱特性分析材料，或光谱成像，以及热成像应用

人类感知原色和次色，但不感知红外光。科学家们假设，蛇或夜行性物种等动物可以检测到红外线中的各种波长，几乎就像人类感知颜色一样

Chanda说，由于光子能量较弱，室温下的红外探测，特别是LWIR，一直是一个长期的挑战

研究人员说，LWIR探测器可以大致分为冷却或非冷却探测器

冷却探测器在高探测率和快速响应时间方面表现出色，但它们对低温冷却的依赖大大增加了它们的成本，并限制了它们的实际应用

Chanda说，相比之下，非制冷探测器，如微测辐射热计，可以在室温下工作，成本相对较低，但灵敏度较低，响应时间较慢

这两种LWIR探测器都缺乏动态光谱可调性，因此无法区分不同“颜色”的光子波长。

Chanda和他的博士后学者团队试图超越现有LWIR探测器的局限性，因此他们致力于展示一种基于纳米图案石墨烯的高灵敏度、高效和动态可调的方法

郭天翼是该研究的主要作者。郭于2023年在昌达的指导下完成了UCF的博士学位。钱达说，这种新发现的方法是郭、钱达和钱达实验室其他人所做研究的结晶

Chanda说：“目前没有冷却或非冷却探测器提供如此动态的光谱可调性和超快响应。”。“这一演示强调了工程单层石墨烯LWIR探测器在室温下运行的潜力，为光谱成像提供了高灵敏度和动态光谱可调性。”

探测器依赖于非对称图案化石墨烯薄膜内材料的温差（称为塞贝克效应）。在光照和相互作用下，图案化的一半会产生吸收大大增强的热载流子，而未图案化的一半则保持凉爽。热载流子的扩散产生光热电电压，并在源极和漏极之间进行测量

通过将石墨烯图案化为专门的阵列，研究人员实现了增强的吸收，可以在LWIR光谱范围内进一步进行静电调谐，并提供更好的红外检测。该探测器的性能大大超过了传统的非制冷红外探测器，也称为微测辐射热计

Chanda说：“拟议的检测平台为新一代基于非制冷石墨烯的LWIR光电探测器铺平了道路，适用于消费电子产品、分子传感和空间等广泛应用。” More information: Tianyi Guo et al, Spectrally Tunable Ultrafast Long Wave Infrared Detection at Room Temperature, Nano Letters (2024). DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c03832

Journal information: Nano Letters