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，由浙江大學高超、許震團隊和浙大科創(chuàng)中心微納電子學院徐楊團隊合作完成，論文第一作者是浙江大學高分子科學與工程學系的方波博士和微納電子學院的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，并基于此構建了首套纖維基雙向中紅外通訊系統。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域的應用潛力。

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（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在保密通訊、醫(yī)療保健、環(huán)境監(jiān)測、氣象科學及太空探索等領域有著重要的應用價值。光學通訊系統通常由兩個基本的功能性結構單元（即發(fā)射器和接收器）輔以其它信號處理裝置組成。在傳統的通訊系統中，發(fā)射和接收的功能通常由不同的器件分別實現。倘若能找到一種兼具發(fā)射和接收功能的材料來實現雙向通訊，就可使通訊系統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，雙向通訊的構想已經初步在可見光及近紅外光區(qū)域中實現。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目前尚未能實現。

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，也可以通過結構設計在很寬的波譜范圍內呈現出光電響應能力。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，實現了高性能雙向中紅外通訊系統。

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，這種纖維在結構及性能上有兩大改變：表面的螺旋型構型使纖維呈現出伸長率超過15%的拉伸形為，并在多次的循環(huán)拉伸測試中保持穩(wěn)定的力學和電學性能；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構及基本性能。

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結構，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（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-金屬結之間會產生一個逐漸削弱的電子溫度梯度。光子激發(fā)產生的熱電子在梯度場的作用下逐漸擴散到金屬電極一段，從而產生光電流信號。在此過程中，弱耦合的多層石墨烯結構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構中快速穿越，在石墨烯纖維中實現了中紅外區(qū)域的響應。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量級，從而在較低電場作用下會產生較大的暗電流。然而這一問題并不能限制石墨烯纖維突出的探測能力，因為石墨烯纖維構筑的光電導結構產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；（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度對比。

石墨烯纖維的中紅外發(fā)射性能