可以改善夜間視力、熱感和醫學成像的新型石墨烯光電探測器

石墨烯是科學上最通用的材料之一，加州大學洛杉磯分校Samueli工程學院的工程師們利用石墨烯發明了一種新型光電探測器，相比現有的其他光電探測器，該光電探測器可以在更寬的頻譜範圍內工作。該設備還具有卓越的感測和成像能力。

光電探測器是光感測器；在相機和其他成像設備中，它們感知稱為光子的基本粒子的形態，並從這些光子形態中構建圖像。構建不同的光電探測器來感測不同頻段的光譜。例如，光電探測器被用作夜視護目鏡以感測肉眼不可見的熱輻射。又比如另一些用於照相機中的光電感測器，可以通過反射光來識別環境中的化學物質。

通用的光電探測器的性能在很大程度上取決於三個因素：它們的運行速度，對較弱光線水平的敏感度以及它們可以感知的頻譜範圍。通常情況下，當工程師們在這些領域中的任何一個領域改進了光電探測器的一個性能時，其他兩性能中至少有一項會減弱。

由加州大學洛杉磯分校的團隊設計的光電探測器在所有三個領域都有重大改進 - 它可以在更寬的頻譜範圍內工作，更快速地處理圖像，並且比現有技術對弱光更敏感。

光電探測器可在更寬的頻譜範圍內工作，更快速地處理圖像，並且比現有技術對弱光更敏感。 （圖片來源：Jarrahi 研究團隊 /加州大學洛杉磯分校）

「我們的光電探測器可以擴展光電探測器在成像和感測系統中的範圍和潛在用途，」負責該研究的電氣和計算機工程教授Mona Jarrahi說。「它可以顯著改善夜間熱成像或醫療診斷應用，在醫療診斷應用中溫度的細微差異可以為醫生提供大量患者信息。它還可以用於環境感測技術，以更準確地識別污染物濃度。」

該研究發表在「Light: Science and Applications」（「Gold-patched graphene nano-stripes for high-responsivity and ultrafast photodetection from the visible to infrared regime」）期刊上。

新型光電探測器利用石墨烯的獨特性能，石墨烯是由單層碳原子組成的超薄材料。石墨烯是一種很好的探測光子的材料，因為它可以吸收電磁波譜的大部分能量 - 從紫外到可見光，再到紅外和微波波段。石墨烯也是一種非常好的電流導體 - 電子可以暢通無阻地通過。

為了形成光電探測器，研究人員將石墨烯條放在二氧化硅層上，二氧化硅層本身覆蓋了硅基底。然後，他們創造了一系列由金製成的梳狀納米模型，齒寬大約100納米。

石墨烯作為一個捕捉入射光子的網，然後將光子轉換成電信號。金的梳狀納米模型可以快速將這些信息傳輸到處理器中，即使在光線不足的情況下，該處理器也可以產生相應的高質量圖像。

「我們專門設計了石墨烯納米條紋及其金屬貼片的尺寸，這樣使得入射的可見光和紅外光緊緊地限制在它們內部，」加州大學洛杉磯分校博士後研究員、該研究的主要作者Semih Cakmakyapan說。 「這種設計能夠有效地產生一個電信號，該信號在從可見光到紅外的整個光譜範圍內，光強度有超快且精細的變化。」

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