美研制出指甲大小的紅外線圖像傳感器

美國科學(xué)家日前用石墨烯開發(fā)出一種只有指甲蓋大小的紅外線圖像傳感器。不同于目前常見的中紅外和遠(yuǎn)紅外圖像傳感器，新技術(shù)無需笨重的冷卻裝置就能運(yùn)行，首次實(shí)現(xiàn)了在室溫下對(duì)全紅外光譜的觀測。由于體積小、重量輕，它甚至能夠集成到隱形眼鏡或手機(jī)當(dāng)中，未來有望在軍事、安保、醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域獲得應(yīng)用。相關(guān)論文在線發(fā)表在《自然·納米技術(shù)》雜志網(wǎng)站上。

紅外線的波長在760納米至1毫米之間，是波長比紅光長的非可見光，分為近紅外線、中紅外線和遠(yuǎn)紅外線三種。普通攝像機(jī)只需一個(gè)芯片就能拍攝到可見光，而紅外成像技術(shù)則需要同時(shí)看到近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外各種不同頻譜的圖像。更具挑戰(zhàn)性的是，中紅外和遠(yuǎn)紅外傳感器通常必須在極低的溫度才能工作。

由密歇根大學(xué)電氣工程和計(jì)算機(jī)學(xué)助理教授鐘朝暉（音譯）和同校的特德·諾里斯教授負(fù)責(zé)的這項(xiàng)研究將石墨烯作為原材料。石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單層結(jié)構(gòu)，能夠探測到整個(gè)光譜的紅外線、可見光和紫外線。但由于石墨烯對(duì)光線的吸收能力較差（2.3%），不足以產(chǎn)生足夠的電信號(hào)，此前相關(guān)的研究一直止步不前。鐘朝暉說：“上一代石墨烯紅外線傳感器所面臨的最大問題是靈敏度太差，無法滿足商用設(shè)備的需要�！�

為了克服這一障礙，鐘朝暉和他的團(tuán)隊(duì)對(duì)石墨烯產(chǎn)生電信號(hào)的過程進(jìn)行了改進(jìn)。據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)3月17日報(bào)道稱，他們在兩個(gè)石墨烯薄片之間設(shè)置了一個(gè)絕緣隔離層，底層有電流通過。當(dāng)光線照射到頂層石墨烯的時(shí)候，裝置會(huì)釋放電子，產(chǎn)生帶正電的空穴。而后，在量子機(jī)制的作用下，電子穿過中間的絕緣層，到達(dá)底部的石墨烯層。此時(shí)，留在上層石墨烯上的帶正電空穴會(huì)產(chǎn)生電場，并對(duì)下層石墨烯的電流產(chǎn)生影響。通過測量電流的變化，就能推斷出照射在上層石墨烯上的光的亮度。

鐘朝暉稱，新方法首次讓中紅外和遠(yuǎn)紅外傳感器的靈敏度達(dá)到了一個(gè)新的高度，完全能夠媲美需要冷卻裝置才能運(yùn)行的傳統(tǒng)紅外線傳感器。并且該設(shè)備只有一個(gè)指甲蓋大小，很容易實(shí)現(xiàn)集成。他說，如果能夠?qū)⑦@種探測器集成到隱形眼鏡或其他可穿戴電子設(shè)備當(dāng)中，將有望為人們提供一種前所未有的、與環(huán)境進(jìn)行交互的新方式。同時(shí)，該技術(shù)也為紅外線技術(shù)在軍事、安保、醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用開辟了新的想象空間。