國際組織研發石墨烯紅外探測器，可檢測出極微小的熱輻射變化

近日，由 23 個國家 150 多個研究團隊組成的國際聯盟 Graphene Flagship 運用納米材料石墨烯研發出一款高精度的新型紅外探測器。據團隊介紹，這種新型探測儀可檢測出納瓦級的熱輻射變化——相當於手輕輕擺動時釋放出的能量的千分之一。

由於具有檢測性能良好、易於布防等優點，紅外探測器被廣泛應用于軍事國防、安保檢測、物質分析等各個領域。而傳統的紅外檢測器一般分為兩大類——光子檢測儀及熱檢測儀，且「各有千秋」。其中熱檢測儀精度較高，不過運作時需通過吸熱升溫來改變內部電阻大小進而實現檢測，所以儀器中需要增加降溫系統且容易引入干擾信號。而與熱檢測儀不同，光子檢測器是基於熱電效應構建的，無需吸收熱輻射，但其檢測效果不佳。

為了構建更加精準的紅外檢測器，Graphene Flagship 的研究人員發揮出「黑黃金」石墨烯導電性能良好、熱敏度高等優勢，並結合兩種傳統檢測器各自的優點研發出一種新型紅外探測器——紅外熱電輻射測量計。這種檢測儀由熱電材料襯底、單層石墨烯導電通道及浮柵電極組成。與以往的運行原理不同，熱電材料吸收輻射產生的電場變化不是直接用於檢測，而是用來「調節」石墨烯的導電性能，再對其進行檢測。所以，這種新型檢測器可消除檢測電阻升溫帶來的干擾，從而進一出提高其檢測精準度。

團隊成員 Alan Colli 表示，藉助石墨烯還能建造出高解析度的紅外熱成像儀。「我們對這項技術的前景充滿信心，特別是需要在室溫下進行操作的、用於安保檢測的光譜學儀器。因為這種靈敏度更大的探測儀，可以在更窄的光譜範圍內進行檢測及成像。因此可以檢測出一些特殊材料（如爆炸物等）發出的某種特定信號，未來在尋找爆炸物、有害物質或者其他物質等探測工作中具有應用潛力。」

不過要大規模推廣這種新型檢測器，還有一些關鍵的技術問題需要解決。「目前還未完全成熟的石墨烯加工和集成技術是最大的障礙之一」 Alan Colli 說道，「從設備性能來看，其現階段很容易被高而突發的熱衝擊影響，因此下一步我們必須提高系統的動態運行範圍，使得其能在更寬的溫度環境下工作。」

本論文日前被發表於《自然通訊》雜誌。參與這次研究的團隊有劍橋大學、英國 Emberion 有限公司、西班牙光子科學學院（ICFO）、Nokia UK 及希臘約阿尼納大學。

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