KTU研究人员研发出高灵敏度石墨烯-有机硅红外传感器

考纳斯理工大学(KTU)材料科学研究所的研究团队开发了新款基于石墨烯-有机硅肖特基接触的红外传感器,其效率高于目前市场上的红外传感器。

KTU 开发的石墨烯-硅红外传感器(俯视图)

新型红外传感器可以帮助我们从太空进行地球观测和行星际飞行任务,以探索其他行星的大气层或寻找火星上的生命。此外,该传感器还常用于夜视设备、建筑节能控制系统、光通信线路、运动传感器和药品等领域。如今机场也正在使用红外传感器完成乘客体温的远程测量,以检测出感染了Covid-19病毒的人。

在过去的两年中, 考纳斯理工大学(KTU)的科学家一直在致力于改进红外传感器。

该研究团队的首席研究员Šarūnas Meškinis博士指出,肖特基接触式传感器的制造技术比其他红外传感器要简单得多。该传感器的多个阵列可在半导体板(例如硅板)上开发。 开关速度快是肖特基接触传感器的主要优点。

Meškinis博士表示:这些传感器的主要缺点是灵敏度低。主要原因是它们只能将小部分光粒子转换成光电子。因此,研究人员决定在石墨烯上制造纳米结构的金属等离子体吸收体,从而提高了这些传感器的灵敏度。

红外传感器的应用:从气象到太空观测

肖特基接触式光电传感器可用于人造地球卫星,以检测水和土地边界、熔岩流和森林火灾。此外,它们还可用于气象学,以评估土壤和植物、地质学以及光通信系统中的水分。

这些传感器还可用于其他行星的研究:矿物学分析、行星大气中的大气现象研究以及寻找可能的生命迹象。它们对许多类太空研究都很重要。

因此,KTU研究人员开发的传感器可用于多种应用。Meškinis博士认为,首先考虑的是调整这些传感器以适应光学编码。光学编码器是高精度的光学机械设备,旨在测量最小位移和距离、机械设备及其组件的精度和转速。

Meškinis博士解释道:“ 在太空中,光学编码器常用于激光通信终端和地面光学卫星站。此外,在低轨道卫星与地球之间的激光通信中,航天器激光定位器安装在卫星的摄像头中,可作为太空望远镜。 ”

石墨烯使传感器更加灵敏

通常,肖特基接触传感器包括在半导体上形成的金属层。该金属层在半导体表面层中产生电场。

“ 当在金属或该半导体表面层中产生光电子时(由原子释放的自由电子),可通过电场将其提取并形成所谓的光电流,该光电流可以测量并用于评估光强度(包括红外辐射),” Meškinis博士解释。

传统的传感器只能将小部分光粒子转换为光电子。因此,研究团队采用石墨烯替代金属来解决此问题,从而提升了此类传感器的灵敏度。

石墨烯是超薄的,因此没有自由电子散射问题。结果,在石墨烯中产生的所有光电子都将以适当角度到达石墨烯和半导体结,并流向半导体。传感器中产生的光电流将比金属半导体触点中的光电流大得多。

然而,石墨烯的超薄厚度也是要解决的关键问题。单层石墨烯只能吸收2.3%的入射光子。

研究人员通过形成石墨烯特殊纳米结构的金属,被称为等离子体纳米结构的液体,解决了这个问题,就提高了光电传感器的灵敏度。

尽管金属半导体肖特基接触式传感器已经在市场上销售了30多年,但Meškinis博士指出,半导体与石墨烯肖特基接触式光电传感器尚未量产。

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