導讀
近日，美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）的研究人員採用石墨烯設計出一種新型光電探測器，這種光電探測器適用的光線的頻譜範圍更廣，超過現有最先進的同類產品，而且處理圖像的速度更快，能比現有技術更靈敏地感知低強度光線，感知和成像能力更佳。
背景
光電探測器，屬於光線傳感器的一種，它常用於攝像頭和其他成像設備中。它們可以感知稱為“光子”的基本粒子的圖案，並通過這些圖案創造出圖像。不同的光電探測器用於感知光譜的不同部分。例如，夜視眼鏡中使用的光電探測器就是用於感知肉眼不可見的熱輻射。還有一些光電探測器應用於攝像頭，這些攝像頭通過環境中化學物質反射光線的方式來辨別它們。
光電探測器的多功能程度主要取決於三個因素：運行速度、感知低強度光線的能力、感知的頻譜範圍。通常來說，如果工程師們改善了這三個因素中的某一個，那麼另外兩個因素中就會至少有一個變得惡化。
那麼，我們不禁要問：有沒有一種方法可以讓這三個因素都得以改善呢？
創新
近日，美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）的研究人員採用石墨烯（一種目前最熱門、最多功能的新材料）設計出一種新型光電探測器，讓以上的三個因素都得到了改善。
這種光電探測器適用的光線頻譜範圍更廣，超過現有最先進的同類產品，而且處理圖像的速度更快，比現有技術更靈敏地感知低強度光線，感知和成像能力更佳。
這項研究得到了美國能源部的支持。研究成果發表於學術期刊《Light: Science and Applications》。
技術
這種新型光電探測器利用了石墨烯的獨特性質，石墨烯是有單層碳原子組成的超薄材料。對於探測光子來說，石墨烯是一種卓越的材料，因為它可以吸收來自較寬的電磁頻譜的能量，從紫外線到可見光再到紅外線和微波。石墨烯也是具有非常好的導電性，能讓電子暢通無阻地流過。
為了製成光電探測器，研究人員將石墨烯條帶放置在二氧化硅層上，而二氧化硅層本身覆蓋在硅基底上。然後，他們創造出一系列的由黃金製成的梳狀納米圖案，具有100納米寬的“梳齒”。
石墨烯如同一張網，用於捕捉入射的光子，然後將它們轉化為電信號。這種黃金的梳狀納米圖案快速地將信息轉遞至處理器，然後處理器會相應地產生出高質量的圖像，即便是在低光條件下。
價值
UCLA 博士後訪問學者、論文領導作者 Semih Cakmakyapan 表示：“我們特別設計了石墨烯納米帶與它們的金屬貼片的尺寸，使得入射的可見光和紅外光都緊緊地限制在其中。這種設計高效地製造出的電信號，能跨越整個頻譜範圍，從可見光到紅外線，追蹤光線強度的超高速且輕微的變化。”
這項研究的領導者、電氣與計算機工程系教授 Mona Jarrahi 表示：“我們的光電探測器可以拓展光電探測器在成像和感知系統方面應用的範圍和潛力。它可以顯著改善應用於夜視環境或醫療診斷應用中的熱成像，在醫療診斷應用中，微小的溫度變化將使得醫生得到關於患者的許多信息。它也可用於環境感知技術，更加精準地分辨汙染物濃度。”
關鍵字
石墨烯、光電探測器、成像、感知、醫療
【1】http://newsroom.ucla.edu/releases/photodetector-improve-night-vision-thermal-sensing-medical-imaging
【2】Semih Cakmakyapan, Ping Keng Lu, Aryan Navabi, Mona Jarrahi. Gold-patched graphene nano-stripes for high-responsivity and ultrafast photodetection from the visible to infrared regime. Light: Science & Applications, 2018; 7 (1) DOI: 10.1038/s41377-018-0020-2
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