首页 / 百科

基于石墨烯和硅肖特基接触的红外辐射传感器

2020-12-31 00:00:00

考纳斯工业大学（KTU）材料科学研究所的一组研究人员创建了新的基于石墨烯和硅肖特基接触的红外辐射传感器，这些传感器比目前市场上使用的红外传感器更有效。

新型红外传感器可以助力我们从太空进行地球观测，进行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。如果不将红外线传感器安装在各种设备中，所有这些都不能实现。此外，该传感器还用于夜视设备，建筑节能控制系统，光通信线路，运动传感器和药品等行业应用。

如今机场还使用这种传感器来远程测量乘客的体温，以识别感染了Covid-19病毒的人。

事实上，在过去的几年中，考纳斯工业大学（KTU）的研究人员一直在努力改进这些传感器。

该研究小组的首席研究员ŠarûnasMeškinis博士认为，与其他红外传感器相比，肖特基接触传感器的制造技术非常简单。这些传感器的许多阵列可以制成在半导体板上，例如硅板。肖特基接触传感器的一个重要优点是开关速度快。

“但是，这些传感器的主要缺点之一是灵敏度低。那是因为它们只能将一小部分光粒子-光子-转换成光电子。因此，我们决定在石墨烯上制造纳米结构的金属等离子体吸收器，从而提高了这些传感器的灵敏度。”ŠarûnasMeškinis博士说。

考纳斯工业大学开发的石墨烯-有机硅红外传感器（俯视图）

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，以监测水和土地边界，森林火灾，熔岩流。它们还用于气象，以评估植物和土壤，地质，光通信系统中的水位。

这些传感器用于研究其他行星：矿物学分析，行星大气中的大气现象以及寻找可能的生命迹象。它们对于太空中的许多类型的研究都很重要。”ŠarûnasMeškinis博士说。

由KTU研究人员创建的传感器可以以多种方式应用。ŠarûnasMeškinis博士认为，首先要考虑的是使这些传感器适应光学编码。光学编码器是高精度的光机械设备，旨在测量最小位移，距离，机械设备及其组件的精度以及转速。

“在太空中，光学编码器用于激光通信终端，地面光学卫星站。此外，在低轨道卫星与地球之间的基于激光的通信中，航天器激光定位器（LiDAR），安装在卫星上的摄像机，太空望远镜，” KTU研究人员说。

石墨烯使传感器更加灵敏

肖特基接触传感器通常由生长在半导体上的金属层组成。该金属在半导体表面层中产生电场。

“当在金属或半导体表面层中产生光电子（由原子从原子释放的自由电子）时，它们可以被电场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（包括红外线辐射。”ŠarûnasMeškinis博士说。

由于常规传感器只能将一小部分光子-光子转换为光电子，因此研究人员决定使用石墨烯代替金属来解决此问题，并以此方式提高此类传感器的灵敏度。

因为石墨烯是超薄的，所以没有自由电子散射问题。结果，在石墨烯中产生的几乎所有光电子都将以适当的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接触器中的光电流大得多。”ŠarûnasMeškinis博士解释说。

然而，石墨烯的超小厚度也是要解决的重要问题。一层石墨烯只能吸收到达它的光子的2.3％。

“我们通过在石墨烯上形成特殊的金属纳米结构（称为等离子体纳米结构液体）解决了这一问题。他们提高了光电传感器的灵敏度。”研究人员解释说。

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ŠarûnasMeškinis博士指出，石墨烯和半导体Shottky接触式光电传感器尚未量产。