石墨烯做成傳感器用于熱成像技術 輕松檢測爆炸物
2017-04-01
劍橋石墨烯中心的研究人員近日發現：將有著獨特電學性質的石墨烯做成傳感器用于熱成像技術，能極大提高熱成像質量。跟能將溫度變化轉化為電信號的熱電材料配合使用，這種包含石墨烯的傳感器能感知幾十微K的溫度變化。在實際應用領域，這種高清熱成像技術有望為爆炸物和其他有害物質的檢測提供更準確的檢測手段。
這項研究發表在《自然通訊》上。論文中提到，研究人員把一層石墨烯鋪在熱電材料基質鈮酸鋰上，再在上面放置一種叫做“浮動柵”的電極。浮動柵電極將熱電材料中由溫度變化產生的電場集中在石墨烯中，進而改變石墨烯的電阻，而石墨烯電阻的變化就是這個裝置的輸出結果。電阻式輻射熱測量計用的就是這個原理。研究人員認為，利用熱電材料和電阻式輻射熱測量計的傳感器可以為高清熱成像相機提供所需的像素點。
使用石墨烯最大的一個優點是，你可以把它當做一個內置的熱電信號放大器。傳統的紅外傳感器需要借助晶體管來放大熱電材料中產生的熱電信號，缺點是這個過程會丟失信號或產生噪音，進而降低傳感器的靈敏度。借助石墨烯，熱電信號直接進入石墨烯中并被擴大。“把石墨烯放大器置于放熱電材料上時，熱電材料產生的電流變化將直接進入石墨烯中，不會產生一點損失，”論文作者Alan Colli解釋說。Colli博士效力于Emberion公司，后者正是去年從諾基亞公司分離出來專門研發X射線、熱感和紅外相機傳感器。兩家公司在這項研究中是合作關系。
另外，石墨烯的導電性能也允許將傳感器與外部讀取線路串聯起來，保證傳感器信號的傳輸效率盡可能高。
這種石墨烯基傳感器能檢測的溫度變化比人手靠近時引起的溫度變化還要小1000倍，達到能夠分辨最低15μK的溫度變化，是目前已報道的石墨烯基非制冷熱成像檢測器中靈敏度最高的。這樣高的靈敏度意味著它甚至可以用于光譜分析，檢測某些特定化學官能團發出或吸收的窄紅外光譜，這一點是傳統的紅外檢測器所無法勝任的。
靈敏度的提高，意味著檢測器可以縮小可檢測的輻射頻率范圍，同時保持較高的圖像分辨率，能夠幫助識別發出或吸收很窄特征波譜的特殊物質，比如說爆炸物、毒性物質等危險物品，提高安檢的準確性。
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