石墨烯技術(shù)：薄膜影像傳感器

影像傳感器，如CMOS中的光電二極管采用半導(dǎo)體技術(shù)制造，以硅為主要原料，在柵極材料的選用上也主要以鋁和銅為主，而在結(jié)構(gòu)上則包括微透鏡、RGB濾光片、布線層、硅光電二極管和基板。光線在穿透這些層的過程中，損失較大，尤其是在通過“深井式”的布線層傳達(dá)至硅光電二極管時(shí)，會(huì)造成光線在入射角和傳導(dǎo)方面均出現(xiàn)不小的損失。雖然背照式CMOS將布線層轉(zhuǎn)移至光電二極管下方，減小了“深井”所造成的光線損失，但受制于硅半導(dǎo)體材料特性的限制，也僅能提升一倍左右的感光性能。而且，硅、銅等半導(dǎo)體材料在光電信號(hào)轉(zhuǎn)換、電子傳輸性能、功耗以及發(fā)熱量等方面的表現(xiàn)均不甚理想，這也使目前的影像傳感器在感光性能、高感低噪、電池續(xù)航能力以及發(fā)熱量等方面表現(xiàn)不佳。為了改善這一系列的問題，需要從半導(dǎo)體材料方面下手，而石墨烯就是目前新半導(dǎo)體技術(shù)中最為炙手可熱的材料。

石墨烯并不是什么稀有的物質(zhì)或化學(xué)元素，學(xué)生常用的鉛筆芯就包含石墨成分。石墨烯是碳原子排列在一個(gè)二維平面上的蜂窩結(jié)構(gòu)體，厚度相當(dāng)于頭發(fā)的百萬分之一。一直以來，厚度僅為一個(gè)原子的材料都是一種假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，直到2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，證實(shí)了一個(gè)原子厚度的材料可以單獨(dú)存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

單層石墨烯的厚度非常薄，只有一個(gè)碳原子厚，約為0.34nm，但其強(qiáng)度卻與金剛石相當(dāng)，極為堅(jiān)硬。瑞典皇家科學(xué)院在發(fā)表2010年物理學(xué)獎(jiǎng)時(shí)曾這樣比喻其強(qiáng)度：“利用單層石墨烯制作的吊床可承載一只4kg的兔子”。按此估算，與常用食品保鮮膜厚度相當(dāng)?shù)闹丿B后的石墨烯薄膜，則可承載2噸重的汽車。除了具有優(yōu)良的物理特性之外，石墨烯還具備優(yōu)秀的導(dǎo)電特性：單層石墨烯中的電子與空穴載流子遷移率可在室溫下超過硅的100倍且遷移速度可達(dá)光速的300倍。而其電阻值僅為銅的2/3，而且，其可耐受的電流密度可達(dá)銅的100倍。

由于石墨烯只有一層原子的厚度，因此透光率極高。六邊形的碳原子結(jié)構(gòu)僅會(huì)阻擋2.3%的光，而且所有波長的光都可均勻地通過（紅外線、可見光和紫外線），因此，石墨烯影像傳感器可接受廣譜光線，這意味著它可適用于幾乎所有的數(shù)字影像領(lǐng)域：紅外攝像機(jī)、微光攝像頭、安防監(jiān)控、衛(wèi)星成像以及民用照相機(jī)等。同時(shí)，由于石墨烯極薄且電氣性能極佳，所以用其制成的影像傳感器功耗僅為傳統(tǒng)CMOS的1/10，不僅可降低影像傳感器的發(fā)熱量，還可大幅提升數(shù)碼拍照設(shè)備的電池續(xù)航性能。

2011年年初，作為PureView技術(shù)之后的技術(shù)儲(chǔ)備，諾基亞在美國專利商標(biāo)局注冊(cè)了石墨烯光傳感器的專利。該傳感器采用了多層石墨烯的感光層以及RGB分層式彩色濾鏡的設(shè)計(jì)，這與適馬的Foveon傳感器的R、G、B三層感光層結(jié)構(gòu)頗為相似。無獨(dú)有偶，2013年5月新加坡南洋理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)也展示了石墨烯影像傳感器。該傳感器采用新型納米結(jié)構(gòu)的石墨烯材料，并在其中設(shè)計(jì)了“陷阱”結(jié)構(gòu)，可使光電子停留更長時(shí)間，從而獲得更為強(qiáng)大的電信號(hào)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字影像，感光性能比傳統(tǒng)影像傳感器強(qiáng)1 000倍，即使是在十分昏暗的光線環(huán)境中，依然能夠捕捉到明亮、清晰的影像。同時(shí)，此種石墨烯影像傳感器不僅功耗更低，還可以繼續(xù)使用CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）的加工工藝，在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，其成本還可比CMOS便宜約5倍。

雖然石墨烯影像傳感器技術(shù)具有感光性能優(yōu)異、功耗更低、成本更低廉等特性，但目前依然處于研究發(fā)展階段。未來，石墨烯除了將扮演替代“硅”的角色之外，此類石墨烯影像傳感器還將用于紅外成像、安防監(jiān)控、對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星以及軍用領(lǐng)域。待其技術(shù)更成熟、生產(chǎn)規(guī)模更大以及成本更低之時(shí)，就是走入目前數(shù)碼影像設(shè)備之日。