长波红外（LWIR）探测器广泛应用于夜视、太空探测、监控、热成像等领域。但由于光子能量低和背景噪声高，室温长波红外探测通常需要低温冷却以提高探测率。市场对无需冷却的室温长波红外探测器的需求不断上升，但现有的如钒酸钡（V₂O₅）和非晶硅（a-Si）微测辐射计存在灵敏度低和响应慢的问题。这些探测器因宽带吸收而缺乏光谱可调性，而基于可调红外滤光片的探测技术却牺牲了探测率性能。因此，开发室温工作、具有高探测率、快速响应和动态波长调谐能力的长波红外探测器至关重要。
化学气相沉积（CVD）技术生长的大面积石墨烯因其独特的Dirac锥带结构、高载流子迁移率和优异的热性能，展现出在长波红外探测领域的巨大潜力。通过静电门控技术，可以动态调整石墨烯的电子和光学特性，实现光谱可调性。尽管石墨烯对长波红外的自然吸收率较低（2.3%），主要由于其单原子层厚度和低载流子浓度，但已有研究通过引入等离子体结构和图案化石墨烯来增强其光吸收能力。直接图案化石墨烯不仅便于集成，还提高了其多功能性。在实现石墨烯的动态静电门控方面，侧栅设计避免了阻挡光线和形成光学腔的问题。离子凝胶作为栅极介质，以其高电容和离子导电性，使得在低电压下对石墨烯的费米能级进行大面积动态调控成为可能。新型离子凝胶的研发，兼具薄层、长波红外透明性和光刻兼容性，极大地提升了器件稳定性，为基于石墨烯的长波红外探测器的开发开辟了新途径。尽管石墨烯离子凝胶门控光学器件已被证实，但其在长波红外探测中的应用尚未被广泛探索。
据麦姆斯咨询报道，美国中佛罗里达大学（University of Central Florida）的研究团队提出了一种利用离子凝胶门控单层石墨烯的室温长波红外探测器，该探测器具有高探测率、快速响应时间以及动态可调的光谱响应。通过将石墨烯图像化成腔耦合的六边形孔阵列，研究人员利用激发狄拉克局域等离子体实现了约70%的增强吸收，该等离子体在长波红外光谱范围内进一步可静电调谐。相关研究成果以“Spectrally Tunable Ultrafast Long Wave Infrared Detection at Room Temperature”为题，发表在Nano Letters期刊上。
基于大面积CVD生长石墨烯的长波红外探测器的结构如图1A所示。在长波红外照明下，光腔模式和图案化石墨烯上的Dirac局域等离激元之间的相干相互作用大大提高了纳米图案化石墨烯（NPG）层中长波红外的吸收约30倍。在石墨烯电极上形成3端子场效应晶体管（FET），如图1A所示。图1B为该探测器的显微图像，图1C为该器件的扫描电子显微镜（SEM）图像。图1D展示了6 μm至14 μm波段图案化石墨烯吸收光谱的动态调谐与栅极电压的函数关系。
图1 基于动态可调石墨烯的长波红外探测器架构
石墨烯层中的载流子温度梯度是通过吸收不对称引起的，该方法是将石墨烯层的一半用六边形孔阵列进行图案化，而将另一半不进行图案化。该探测依靠光热电效应将载流子温度的不对称性转化为电信号。图2A为栅极相关电阻变化，n型和p型掺杂区域以红色/蓝色背景突出显示，显示了对应于p型和n型掺杂的石墨烯的能带图。
图2 石墨烯探测器的栅极相关电阻、电压的变化
随后，研究人员将对该探测器的探测结果与使用COMSOL Multiphysics的有限元仿真进行了比较。为了评估该石墨烯长波红外探测器的性能，研究人员对其探测率的动态可调性进行了测量，表示为 D*。图3D绘制了D*和噪声等效功率（NEP）相对于栅极电压的关系。
图3 石墨烯探测器热载流子分离及产生光热电电压
最后，研究人员研究了基于单层石墨烯的室温长波红外探测器的动态光谱可调性，相关结果如图4所示。实验结果进一步证明了基于石墨烯的室温长波红外探测器在大气透明窗口上的动态光谱可调性。
图4 光谱可调长波红外探测
综上所述，这项研究揭示了石墨烯在室温下用于长波红外探测的巨大潜力，特别是在提高探测器的光谱可调性、响应速度和光电转换效率方面。该研究中提出的石墨烯基探测器通过利用其独特的Dirac锥带结构和高载流子迁移率，实现了在无需低温冷却的情况下的高探测率和快速响应，这对于降低成本和简化操作具有重要意义。特别是，通过图案化石墨烯和激发Dirac等离子体与光学腔的相互作用，显著增强了光吸收，这一点对于提高光电探测器的性能至关重要。此外，该研究中提到的利用Seebeck效应将光吸收产生的热量转换为电信号的方法，不仅为开发新型热电探测器提供了新途径，也展示了热电效应在光电转换中的潜力。这些发现不仅推动了对石墨烯材料特性的深入理解，也为设计和制造高性能红外探测器提供了新的设计原则和方法，预示着在红外探测技术领域可能的革命性进步。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03832
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