光电子学 石墨烯露出真容 一种受到热捧的新材料或许会改变电讯业 May 12th 2012 | from the print edition 石墨烯呈片状,是厚度仅一个单原子层的碳的存在形式,最近被誉为奇迹材料。它是室温条件下人类迄今发现的最佳热导体,且比钢坚韧40倍。它也是一种半导体,其电导率是硅的1000倍。这就是说,人们或许可以用它制造灵敏度远非当前装置可比的电子装置;因此一些人预测它迟早将成为制作计算机芯片的首选材料。因此,研究石墨烯结构的两位物理学家安德烈•海姆(Andre Geim)(上图)和康斯坦丁•诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)因他们的工作而荣获2010年诺贝尔奖金就不足为奇了。 事实上,在实际工艺中应用石墨烯的神奇特性却没那么容易。但巴塞罗那光子科学研究所(Institute of Photonic Sciences in Barcelona)的弗兰克•科芬斯(Frank Koppens)等人认为他们找到了这样做的一种方法。如同他们在《自然纳米技术》(Nature Nanotechnology)杂志上撰文介绍的那样,他们相信可以用石墨烯制作超灵敏、低成本的光电检测器。 光电检测器是将光信号转化为电信号的装置。它们应用于数码相机、夜视装置、生物成像仪、污染传感器和电讯器材等领域。标准的光电检测器是一个几毫米见方的硅芯片,由小型透镜将光聚焦于其上。入射到芯片上的光子能击出一些硅原子中的电子,产生的信号由芯片的电子装置转化为图像或其他有用信息。 然而硅光电检测器的缺点是它们不能弯曲、不很便宜、不够灵敏。它们只能吸收落在检测器上的光的10-20%。因此,工程师多年来一直搜寻可弯曲、灵敏度高的廉价光电检测器。这样的装置可能会有许多新奇的应用,比如可以像衣服一样穿在身上的电子仪器。只要能解决一般的工艺问题,石墨烯看上去就是符合要求的材料。 石墨烯本身吸收光的性能还不如硅。据科芬斯博士说,石墨烯只能吸收落在它上面的光子的2.7%。但他与他的同事吉拉希莫斯•康斯坦塔托斯(Gerasimos Konstantatos)在材料表面上喷涂了一层硫化铅微晶,这使石墨烯得以吸收超过50%的入射光子。 这些微晶非常小,只有3到10纳米见方(1纳米为10亿分之一米),因此人们将之称为量子点。这是因为,当物体的大小达到纳米数量级时,量子力学的奇异效果开始显现。其中的一个效果是,量子点的大小能改变它的最佳吸收光的颜色。量子点越大,最佳吸收光就越向长波方向偏移,量子点越小,则越向短波方向偏移。这就使科芬斯与康斯坦塔托斯两位博士能成功地让石墨烯吸收从紫外到红外之间整个频率段的入射光,从而大大扩展了任何可能出现的光电检测器的使用范围。比如,红外光在电讯与夜视应用方面很重要,而照相与太阳能电池需要的是可见光。 据科芬斯博士说,量子点能够与石墨烯成功地相互作用,这是因为石墨烯的结构中有大量自由电子(难怪它是热与电如此之好的导体)。由于石墨烯含有这么多的自由电子,它便对量子点吸收了一个光量子后产生的变化特别敏感:每一个入射光子大约可以令1亿个电子受激。因此,用电子工程学的行话来说,量子点与石墨烯的杂化有极高的“增益”。也就是说,这种材料的应用范围可能会远远超过时髦的照相机和有智能的服装这些范畴,因为实际上,科芬斯博士与康斯坦塔托斯博士已经创造了一种用光调控的三极管的关键部分。 普通三极管是用一个电流(通常较弱)控制另一个电流(通常强得多)通过的开关。于是,较弱电流携带的任何信号都会被放大成为较强电流携带的信号,因此三极管是一种高增益系统。 这样的三极管是传统电子学的工作主件。但制造光电子三极管要困难得多,更不要说高增益的光电子三极管了。当今之世,电讯网络中的近距离信号由电子传递,但远距离信号则由光传递,因此它对光电子三极管有极大的需求;而这种元件难以制造实在是一件憾事。 当前科芬斯等人的目标是创造“世界上最薄、最易弯曲的检测器”。但值得注意的是,他们实际上把实验用量子点-石墨烯光电检测器放置在一片硅片上。他们这样做的目的是要告诉世人,这一技术能与人们用来制造计算机芯片的标准硅基生产工艺很好地相容。 人们尚需克服许多障碍才能实现以电子为基础的信息技术与以光子为基础的信息技术的完美结合。许多人尝试克服这些障碍,但还没有人取得了明显的成功。科芬斯能否成功尚需拭目以待。但如果他能成功,则石墨烯当然无愧于它所搅起的这一场轩然大波。 |
vivijourney 发表于 2012-5-13 17:19
There was little surprise, therefore, when Andre Geim (pictured above) and Konstantin Novoselov, tw ...
悠悠万事97 发表于 2012-5-14 02:57
There was little surprise, therefore, when Andre Geim (pictured above) and Konstantin Novoselov, t ...
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