感应红外线:科研人员使用单壁碳纳米管改良红外探测器




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感应红外线:科研人员使用单壁碳纳米管改良红外探测器

新设计消除了对复杂、昂贵的冷却系统的需求

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图片说明:这个示意图展示了单壁碳纳米管光电探测器的设计,它提供了一种无需依靠低温冷却而对红外辐射进行收集的更有效的方法
图片来源:感谢北京大学的Sheng Wang提供图片

5月23日,华盛顿—— 不论是用于望远镜还是光电通信,红外探测器必须得到持续的冷却,从而避免被杂散热辐射所淹没。如今,来自北京大学、中国科学院和美国杜克大学(Duke University)的一组科研人员正在利用单壁碳纳米管(SWNTs)的不同寻常的属性制造高灵敏度的“无需冷却”的红外光电探测器。

这个研究组在今天发表于美国光学学会(OSA)的开放获取杂志《光学材料快报》(Optical Materials Express)上的一篇论文中描述了这种新型探测器,它可能被证明在工业、军事、制造、光通信和科学应用方面是有益的。

碳纳米管已知具有卓越的机械、电和光学属性。“它们也是红外应用的一种理想的纳米材料,”中国北京大学电子学系的副教授、《光学材料快报》的这篇论 文的作者之一的王胜 (Sheng Wang)说。“首先,这些纳米管表现出了强烈的宽谱红外线吸收,这可以通过选择不同直径的纳米管加以调节。此外,由于它们的电子迁移率高,纳米管的对红 外光的反应非常迅速——是皮秒级的。”这组科研人员报告说,与基于汞-镉-碲化物合金制成的半导体的传统红外探测器相比,单壁碳纳米管(SWNTs)的效 率要高一个数量级。

该研究组的红外光电探测器是通过在一个硅衬底上平行排列单壁碳纳米管(SWNTs)的阵列组成的。这种纳米管阵列然后被放置在了非对称的钯和钪的接 触电极之间。这两种金属所具有的性质联合起来与碳管分别形成了电子和空穴欧姆接触特性,这使得半导体器件的电阻处于非常低的一个区域,它帮助这种探测器更 有效地运作。

“碳纳米管红外探测器的制造可以容易地通过柔性衬底和大晶圆并以低的成本进行制造,” 王胜 (Sheng Wang)解释说。

这个研究组说,这种探测器在室温下表现出了“可接受的灵敏度”而且可能通过增加这种碳纳米管的密度而显著改善其灵敏度。传统红外光电探测器的信噪比 性能受到了它们的天然红外辐射的限制,这种辐射既而又被探测器吸收了。为了避免这种杂散辐射淹没探测器,通常使用液氮或电致冷抑制这种热效应。然而,这让 红外探测器变得更复杂、运行起来更昂贵。这种新的设计消除了这种要求,因为碳纳米管有特殊的热属性。在室温下,它们自身发出的红外辐射相对极少,特别是当 这种碳纳米管在衬底上的时候。此外,纳米管的导热性能非常好,因此温度不会在这个探测器本体上积累。

王胜(Sheng Wang)指出,这个研究组最惊讶的事情之一是使用只有几纳米厚的碳纳米管薄膜实现了相对较高的红外探测率(一个光电导体产生信号所需的辐射功率)。值得注意的是,传统的红外探测器需要用尺寸是数百纳米的厚得多的膜来获得类似的探测率。

这种探测器的另一个巨大的优势是它的制造过程完全与碳纳米管晶体管的制造兼容——这意味着不需要进行大规模昂贵的设备改造。“我们的免化学掺杂的方法为碳纳米管电子和光电子集成电路提供了一个理想的平台” 王胜说。

该研究组下一步将把重点放在用更高的单壁碳纳米管(SWNTs)密度改进这种探测器的探测率,还要用改良的直径控制实现更好的广谱响应。

论文 “Carbon Nanotube Arrays Based High-Performance Infrared Photodetector,” 作者Q. Zeng 等人。该论文将发表在《光学材料快报》第2卷第6期的“促进光子学和光电子学的纳米碳”的特刊上。

编辑提示:媒体成员可以索取有关该研究的一张高分辨率图片。请联系Angela Stark,astark@osa.org 。仅接受英文问询。

关于《光学材料快报》

《光学材料快报》(Optical Materials Express (OMEx)) 是美国光学学会(OSA)的最新的同行评议的开放获取期刊,把重点放在了光学和光子学应用的材料的合成、处理和性质描述上。《光学材料快报》是在2011 年4月创刊的,主要把重点放在新光学材料的进展、它们的性质、建模、合成以及制造技术;这类材料如何对新的光学行为有贡献;以及它们如何带来新的或改良的 光学装置。欲获取更多信息,请访问www.OpticsInfoBase.org/OMEx。

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