石墨烯确保了具有超高灵敏度的探测器

来自剑桥大学（英国），Emberion（英国），光子科学学院（ICFO;西班牙），诺基亚英国和约阿尼纳大学（希腊）工作的Graphene旗舰研究人员已经开发出一种新颖的石墨烯基热电辐射热测量计——一种具有热检测记录的高灵敏度红外（IR）检测器，能够将温度变化分辨至几十μK。这项工作可能会为高性能红外成像和光谱打开大门。

 图注：a：单个装置示意图，其中SLG通道的电导由热电衬底和浮置栅极调制。这由与衬底接触的两个金属焊盘驱动，其总面积比与SLG信道重叠大得多。这种垫可以是均匀的或图案化的。

 图注：b：a图中的电路图

该技术专注于检测人体产生的辐射并将其转换为可测量的信号。 关键点是使用石墨烯，转换性能比现有的最佳传感器性能好250倍以上。但是检测器的高灵敏度可以用于光谱应用以外的热成像。一个高性能的石墨烯基IR检测器提供具有较少入射辐射的强信号，可以隔离IR光谱的不同部分。这在安全应用中是至关重要的，其中不同的材料 - 例如爆炸物 - 可以通过它们的特征IR吸收或透射光谱来区分。

石墨烯基器件由热电衬底，具有单层石墨烯的导电通道和置于顶部的浮栅电极组成。 在热电材料中，温度的变化导致材料内部产生自发电场。 浮栅电极将该场集中在石墨烯上，并且该场引起作为器件输出测量石墨烯电阻的变化。典型的IR光电探测器通过热电效应或测辐射热计测量由于加热引起的电阻变化。石墨烯基热电辐射热测量仪将两种效果结合以获得优异的性能，并且可以用作相机中高分辨率热成像的像素。

 图注：c：具有作为电连接的指状结构侧焊盘器件的光学图像。比例尺，300mm。

该团队解释说石墨烯作为热电信号的内置放大器，不需要外部晶体管放大器，例如典型的热电热探测器。这种直接集成意味着与外部放大电路的连接没有损耗和额外的噪声。“我们可以直接在热电材料上构建放大器。所以，它开发的所有电荷都流向放大器。一路上没有损失，“合著者说。

 图注：a-g：逐步器件制造工艺。h：器件制造后的光学图像。比例尺，100μm。

石墨烯的使用为进一步将检测器像素与将检测器像素和记录装置连接的外部读出集成电路（ROIC）集成提供了益处。“为了匹配ROIC的输入阻抗，您需要尽可能导电的东西。石墨烯的固有电导率有助于进一步与硅整合，“科学家说。阻抗匹配对于确保信号尽可能有效地传输是至关重要的。由于其高电导率和强场效应的组合，这是石墨烯的独特优点。

2016年8月，剑桥大学的研究人员开发了一种高性能室温石墨烯中红外光电探测器。这种基于石墨烯的“辐射热计”使研究人员能够实现高达900％/ K的超高性能TCR。研究人员希望这种设备可以在未来用于天文学，医学成像，汽车甚至智能手机红外摄像机。