超快高敏石墨烯光電探測器在美誕生

　　美國馬里蘭大學納米物理和先進材料中心的研究人員開發出一種新型熱電子輻射熱測量計，這種紅外光敏探測器能廣泛應用于生化武器的遠距離探測、機場安檢掃描儀等安全成像技術領域，并促進對于宇宙結構的研究等。

　　科學家利用雙層石墨烯研發了這款輻射熱測量計。石墨烯具有完全零能耗的帶隙，因此其能吸收任何能量形式的光子，特別是能量極低的光子，如太赫茲或紅外及亞毫米波等。所謂光子帶隙是指某一頻率范圍的波不能在此周期性結構中傳播，即這種結構本身存在“禁帶”。光子帶隙結構能使某些波段的電磁波完全不能在其中傳播，于是在頻譜上形成帶隙。

　　而石墨烯的另一特性也使其十分適合作為光子吸收器：吸收能量的電子仍能保持自身的高效，不會因為材料原子的振動而損失能量。同時，這一特性還使得石墨烯具有極低的電阻。研究人員正是基于石墨烯的這兩種特性設計出了熱電子輻射熱測量計，它能通過測量電阻的變化而工作，這種變化是由電子吸光之后自身變熱所致。

　　通常來說，石墨烯的電阻幾乎不受溫度的影響，并不適用于輻射熱測量計。因此研究人員采用了一種特別的技巧：當雙層石墨烯暴露于電場時，其具有一個大小適中的帶隙，既可將電阻和溫度聯系起來，又可保持其吸收低能量紅外光子的能力。

　　研究人員發現，在5開氏度的情況下，新型輻射熱測量計可達到與現有輻射熱測量計同等的靈敏度，但速度可增快1000多倍。他們推測其可在更低的溫度下，超越目前所有的探測技術。

　　新裝置作為快速、敏感、低噪聲的亞毫米波探測器尤具前景。亞毫米波的光子由相對涼爽的星際分子所發出，因此很難被探測到。通過觀察這些星際分子云，天文學家能夠研究恒星和星系形成的早期階段。而敏感的亞毫米波探測器能幫助構建新的天文臺，確定十分遙遠的年輕星系的紅移和質量，從而推進有關暗能量和宇宙結構發展的研究。

　　雖然一些挑戰仍然存在，比如雙層石墨烯只能吸收很少部分的入射光，這使得新型輻射熱測量計要比使用其他材料的類似設備具備更高的電阻，因而很難在高頻下正常工作，但研究人員稱，他們正在努力改進自身的設計以克服上述困難，其亦對石墨烯作為光電探測材料的光明前景抱有極大信心。