美國科學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紅外圖像傳感器，新技術(shù)無需笨重的冷卻裝置就能運行，首次實現(xiàn)了在室溫下對全紅外光譜的觀測。由于體積小、重量輕，它甚至能夠集成到隱形眼鏡或手機當中，未來有望在軍事、安保、醫(yī)學等多個領(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、中紅外線和遠紅外線三種。普通攝像機只需一個芯片就能拍攝到可見光，而紅外成像技術(shù)則需要同時看到近紅外、中紅外和遠紅外各種不同頻譜的圖像。更具挑戰(zhàn)性的是，中紅外和遠紅外傳感器通常必須在極低的溫度才能工作。
由密歇根大學電氣工程和計算機學助理教授鐘朝暉(音譯)和同校的特德·諾里斯教授負責的這項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)，能夠探測到整個光譜的紅外線、可見光和紫外線。但由于石墨烯對光線的吸收能力較差(2.3%)，不足以產(chǎn)生足夠的電信號，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，鐘朝暉和他的團隊對石墨烯產(chǎn)生電信號的過程進行了改進。據(jù)物理學家組織網(wǎng)3月17日報道稱，他們在兩個石墨烯薄片之間設(shè)置了一個絕緣隔離層，底層有電流通過。當光線照射到頂層石墨烯的時候，裝置會釋放電子，產(chǎn)生帶正電的空穴。而后，在量子機制的作用下，電子穿過中間的絕緣層，到達底部的石墨烯層。此時，留在上層石墨烯上的帶正電空穴會產(chǎn)生電場，并對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紅外傳感器的靈敏度達到了一個新的高度，完全能夠媲美需要冷卻裝置才能運行的傳統(tǒng)紅外線傳感器。并且該設(shè)備只有一個指甲蓋大小，很容易實現(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)備當中，將有望為人們提供一種前所未有的、與環(huán)境進行交互的新方式。同時，該技術(shù)也為紅外線技術(shù)在軍事、安保、醫(yī)學等多個領(lǐng)域中的應(yīng)用開辟了新的想象空間。
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