研究人員開發(fā)出新型熱電子輻射熱測量計
據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日報道,美國馬里蘭大學(xué)納米物理和先進(jìn)材料中心的研究人員開發(fā)出一種新型熱電子輻射熱測量計,這種紅外光敏探測器能廣泛應(yīng)用于生化武器的遠(yuǎn)距離探測、機(jī)場安檢掃描儀等安全成像技術(shù)領(lǐng)域,并促進(jìn)對于宇宙結(jié)構(gòu)的研究等。相關(guān)研究報告發(fā)表在6月3日出版的《自然·納米技術(shù)》雜志上。
科學(xué)家利用雙層石墨烯研發(fā)了這款輻射熱測量計。石墨烯具有完全零能耗的帶隙,因此其能吸收任何能量形式的光子,特別是能量極低的光子,如太赫茲或紅外及亞毫米波等。所謂光子帶隙是指某一頻率范圍的波不能在此周期性結(jié)構(gòu)中傳播,即這種結(jié)構(gòu)本身存在“禁帶”。光子帶隙結(jié)構(gòu)能使某些波段的電磁波完全不能在其中傳播,于是在頻譜上形成帶隙。 而石墨烯的另一特性也使其十分適合作為光子吸收器:吸收能量的電子仍能保持自身的高效,不會因為材料原子的振動而損失能量。同時,這一特性還使得石墨烯具有極低的電阻。研究人員正是基于石墨烯的這兩種特性設(shè)計出了熱電子輻射熱測量計,它能通過測量電阻的變化而工作,這種變化是由電子吸光之后自身變熱所致。 通常來說,石墨烯的電阻幾乎不受溫度的影響,并不適用于輻射熱測量計。因此研究人員采用了一種特別的技巧:當(dāng)雙層石墨烯暴露于電場時,其具有一個大小適中的帶隙,既可將電阻和溫度聯(lián)系起來,又可保持其吸收低能量紅外光子的能力。 研究人員發(fā)現(xiàn),在5開氏度的情況下,新型輻射熱測量計可達(dá)到與現(xiàn)有輻射熱測量計同等的靈敏度,但速度可增快1000多倍。他們推測其可在更低的溫度下,超越目前所有的探測技術(shù)。 新裝置作為快速、敏感、低噪聲的亞毫米波探測器尤具前景。亞毫米波的光子由相對涼爽的星際分子所發(fā)出,因此很難被探測到。通過觀察這些星際分子云,天文學(xué)家能夠研究恒星和星系形成的早期階段。而敏感的亞毫米波探測器能幫助構(gòu)建新的天文臺,確定十分遙遠(yuǎn)的年輕星系的紅移和質(zhì)量,從而推進(jìn)有關(guān)暗能量和宇宙結(jié)構(gòu)發(fā)展的研究。 雖然一些挑戰(zhàn)仍然存在,比如雙層石墨烯只能吸收很少部分的入射光,這使得新型輻射熱測量計要比使用其他材料的類似設(shè)備具備更高的電阻,因而很難在高頻下正常工作,但研究人員稱,他們正在努力改進(jìn)自身的設(shè)計以克服上述困難,其亦對石墨烯作為光電探測材料的光明前景抱有極大信心。 |