石墨烯高清热成像技术,轻松检测爆炸物

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剑桥石墨烯中心的研究人员近日发现:将有着独特电学性质的石墨烯做成传感器用于热成像技术,能极大提高热成像质量。跟能将温度变化转化为电信号的热电材料配合使用,这种包含石墨烯的传感器能感知几十微K的温度变化。在实际应用领域,这种高清热成像技术有望为爆炸物和其他有害物质的检测提供更准确的检测手段。

这项研究发表在《自然通讯》上。论文中提到,研究人员把一层石墨烯铺在热电材料基质铌酸锂(LiNbO3)上,再在上面放置一种叫做“浮动栅”的电极(通常由金做成)。浮动栅电极将热电材料中由温度变化产生的电场集中在石墨烯中,进而改变石墨烯的电阻,而石墨烯电阻的变化就是这个装置的输出结果。电阻式辐射热测量计用的就是这个原理。研究人员认为,利用热电材料和电阻式辐射热测量计的传感器可以为高清热成像相机提供所需的像素点。

使用石墨烯最大的一个优点是,你可以把它当做一个内置的热电信号放大器。传统的红外传感器需要借助晶体管来放大热电材料中产生的热电信号,缺点是这个过程会丢失信号或产生噪音,进而降低传感器的灵敏度。借助石墨烯,热电信号直接进入石墨烯中并被扩大。“把石墨烯放大器置于放热电材料上时,热电材料产生的电流变化将直接进入石墨烯中,不会产生一点损失,”论文作者Alan Colli解释说。Colli博士效力于Emberion公司,后者正是去年从诺基亚公司分离出来专门研发X射线、热感和红外相机传感器。两家公司在这项研究中是合作关系。

另外,石墨烯的导电性能也允许将传感器与外部读取线路串联起来,保证传感器信号的传输效率尽可能高。

这种石墨烯基传感器能检测的温度变化比人手靠近时引起的温度变化还要小1000倍,达到能够分辨最低15μK的温度变化,是目前已报道的石墨烯基非制冷热成像检测器中灵敏度最高的。这样高的灵敏度意味着它甚至可以用于光谱分析,检测某些特定化学官能团发出或吸收的窄红外光谱,这一点是传统的红外检测器所无法胜任的。

灵敏度的提高,意味着检测器可以缩小可检测的辐射频率范围,同时保持较高的图像分辨率,能够帮助识别发出或吸收很窄特征波谱的特殊物质,比如说爆炸物、毒性物质等危险物品,提高安检的准确性。

撰文:M. Bruna

翻译:龚聪

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责任编辑: 闫月

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