近日，《自然?通訊》（Nature Communications）報道了一種基于石墨烯纖維的雙向中紅外通訊系統(tǒng)，由浙江大學(xué)高超、許震團隊和浙大科創(chuàng)中心微納電子學(xué)院徐楊團隊合作完成，論文第一作者是浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系的方波博士和微納電子學(xué)院的Srikrishna Chanakya Bodepudi博士。該工作探索了宏觀石墨烯纖維在中紅外區(qū)域的發(fā)光和探測性能，并基于此構(gòu)建了首套纖維基雙向中紅外通訊系統(tǒng)。該研究展示了石墨烯宏觀材料在中紅外光電子器件通訊領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
中紅外光及石墨烯簡介
中紅外光（Mid-infrared, MIR）通常指代波長為2-25微米的光波，它與生物體活動的關(guān)系密切，這是因為中紅外光的區(qū)間剛好分布在生物體熱輻射波長范圍之內(nèi)（在日常報道和描述中稱為遠紅外光）。先進的中紅外通訊系統(tǒng)在保密通訊、醫(yī)療保健、環(huán)境監(jiān)測、氣象科學(xué)及太空探索等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值。光學(xué)通訊系統(tǒng)通常由兩個基本的功能性結(jié)構(gòu)單元（即發(fā)射器和接收器）輔以其它信號處理裝置組成。在傳統(tǒng)的通訊系統(tǒng)中，發(fā)射和接收的功能通常由不同的器件分別實現(xiàn)。倘若能找到一種兼具發(fā)射和接收功能的材料來實現(xiàn)雙向通訊，就可使通訊系統(tǒng)大大簡化并提高效率。前人借助于碳納米管和鈣鈦礦等材料，雙向通訊的構(gòu)想已經(jīng)初步在可見光及近紅外光區(qū)域中實現(xiàn)。然而受限于材料的性能及嚴苛的工作環(huán)境，雙向中紅外通訊系統(tǒng)目前尚未能實現(xiàn)。
石墨烯具有原子級別的厚度和極高的電子遷移率，它可以通過載流子耦合或者灰體輻射的方式發(fā)射中紅外光，也可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計在很寬的波譜范圍內(nèi)呈現(xiàn)出光電響應(yīng)能力。然而常規(guī)的寡層石墨烯對光子的吸收能力欠佳，難以做成中紅外器件。該工作將石墨烯組裝成弱耦合的宏觀材料，解決了石墨烯低吸收率和低發(fā)射率的問題，實現(xiàn)了高性能雙向中紅外通訊系統(tǒng)。
圖1. 常見光譜的分布。
柔性石墨烯纖維
該研究以氧化石墨烯薄膜為原料，通過加捻技術(shù)及后處理制備了連續(xù)的柔性石墨烯纖維。不同于以往報道的單軸取向的石墨烯纖維，這種纖維在結(jié)構(gòu)及性能上有兩大改變：表面的螺旋型構(gòu)型使纖維呈現(xiàn)出伸長率超過15%的拉伸形為，并在多次的循環(huán)拉伸測試中保持穩(wěn)定的力學(xué)和電學(xué)性能；即使在高溫碳化處理后，也有相當比例的弱耦合區(qū)域存在。
圖2. 柔性石墨烯纖維的結(jié)構(gòu)及基本性能。
石墨烯纖維的中紅外探測性能
將弱耦合的石墨烯纖維制備成雙電極的光電導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可以探測波長范圍在2-10微米之間的中紅外光。將中紅外光源從電極的一段向另一方向移動，可以發(fā)現(xiàn)所檢測到光電流信號會發(fā)生方向和強度的逐步改變，證明石墨烯纖維的中紅外探測機理是光熱電效應(yīng)（photo-thermoelectric effect）。由多層石墨烯弱耦合而成的纖維吸收中紅外光子，局部溫度發(fā)生瞬時的上升。此時，在光照區(qū)域和石墨烯纖維-金屬結(jié)之間會產(chǎn)生一個逐漸削弱的電子溫度梯度。光子激發(fā)產(chǎn)生的熱電子在梯度場的作用下逐漸擴散到金屬電極一段，從而產(chǎn)生光電流信號。在此過程中，弱耦合的多層石墨烯結(jié)構(gòu)有效降低了熱電子的層間散射，從而促進了熱電子在毫米級別的石墨烯宏觀結(jié)構(gòu)中快速穿越，在石墨烯纖維中實現(xiàn)了中紅外區(qū)域的響應(yīng)。為了驗證這一機理，作者對比了同樣尺寸的高取向熱解石墨（Highly oriented pyrolytic graphite, HOPG），它是一種強耦合宏觀石墨體，在同樣的實驗條件下并沒有觀測到明顯的光電流信號。
相對于寡層石墨烯材料，石墨烯纖維的電阻要低三個數(shù)量級，從而在較低電場作用下會產(chǎn)生較大的暗電流。然而這一問題并不能限制石墨烯纖維突出的探測能力，因為石墨烯纖維構(gòu)筑的光電導(dǎo)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的光電流可以達到0.7A，遠高于寡層石墨烯。該研究發(fā)現(xiàn)石墨烯纖維對波長為4微米的中紅外光的探測頻率可以達到0.25兆赫茲，并且具有約0.67 A/W 的響應(yīng)度。
圖3. 石墨烯纖維的中紅外探測性能表征。（a）將石墨烯纖維懸空固定在金屬電極之間，輸入暗電流探測對中紅外光的響應(yīng)；（b）將中紅外光加載到石墨烯纖維的不同區(qū)域，可以收集到方向和大小都不同的光電流；（c）與不同中紅外探測器件的響應(yīng)度對比。
石墨烯纖維的中紅外發(fā)射性能
