石墨烯技术：薄膜影像传感器

影像传感器，如CMOS中的光电二极管采用半导体技术制造，以硅为主要原料，在栅极材料的选用上也主要以铝和铜为主，而在结构上则包括微透镜、RGB滤光片、布线层、硅光电二极管和基板。光线在穿透这些层的过程中，损失较大，尤其是在通过“深井式”的布线层传达至硅光电二极管时，会造成光线在入射角和传导方面均出现不小的损失。虽然背照式CMOS将布线层转移至光电二极管下方，减小了“深井”所造成的光线损失，但受制于硅半导体材料特性的限制，也仅能提升一倍左右的感光性能。而且，硅、铜等半导体材料在光电信号转换、电子传输性能、功耗以及发热量等方面的表现均不甚理想，这也使目前的影像传感器在感光性能、高感低噪、电池续航能力以及发热量等方面表现不佳。为了改善这一系列的问题，需要从半导体材料方面下手，而石墨烯就是目前新半导体技术中最为炙手可热的材料。

石墨烯并不是什么稀有的物质或化学元素，学生常用的铅笔芯就包含石墨成分。石墨烯是碳原子排列在一个二维平面上的蜂窝结构体，厚度相当于头发的百万分之一。一直以来，厚度仅为一个原子的材料都是一种假设性的结构，直到2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，证实了一个原子厚度的材料可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

单层石墨烯的厚度非常薄，只有一个碳原子厚，约为0.34nm，但其强度却与金刚石相当，极为坚硬。瑞典皇家科学院在发表2010年物理学奖时曾这样比喻其强度：“利用单层石墨烯制作的吊床可承载一只4kg的兔子”。按此估算，与常用食品保鲜膜厚度相当的重叠后的石墨烯薄膜，则可承载2吨重的汽车。除了具有优良的物理特性之外，石墨烯还具备优秀的导电特性：单层石墨烯中的电子与空穴载流子迁移率可在室温下超过硅的100倍且迁移速度可达光速的300倍。而其电阻值仅为铜的2/3，而且，其可耐受的电流密度可达铜的100倍。

由于石墨烯只有一层原子的厚度，因此透光率极高。六边形的碳原子结构仅会阻挡2.3%的光，而且所有波长的光都可均匀地通过（红外线、可见光和紫外线），因此，石墨烯影像传感器可接受广谱光线，这意味着它可适用于几乎所有的数字影像领域：红外摄像机、微光摄像头、安防监控、卫星成像以及民用照相机等。同时，由于石墨烯极薄且电气性能极佳，所以用其制成的影像传感器功耗仅为传统CMOS的1/10，不仅可降低影像传感器的发热量，还可大幅提升数码拍照设备的电池续航性能。

2011年年初，作为PureView技术之后的技术储备，诺基亚在美国专利商标局注册了石墨烯光传感器的专利。该传感器采用了多层石墨烯的感光层以及RGB分层式彩色滤镜的设计，这与适马的Foveon传感器的R、G、B三层感光层结构颇为相似。无独有偶，2013年5月新加坡南洋理工大学的研究团队也展示了石墨烯影像传感器。该传感器采用新型纳米结构的石墨烯材料，并在其中设计了“陷阱”结构，可使光电子停留更长时间，从而获得更为强大的电信号，将电信号转换为数字影像，感光性能比传统影像传感器强1 000倍，即使是在十分昏暗的光线环境中，依然能够捕捉到明亮、清晰的影像。同时，此种石墨烯影像传感器不仅功耗更低，还可以继续使用CMOS（互补金属氧化物半导体）的加工工艺，在大规模生产时，其成本还可比CMOS便宜约5倍。

虽然石墨烯影像传感器技术具有感光性能优异、功耗更低、成本更低廉等特性，但目前依然处于研究发展阶段。未来，石墨烯除了将扮演替代“硅”的角色之外，此类石墨烯影像传感器还将用于红外成像、安防监控、对地观测卫星以及军用领域。待其技术更成熟、生产规模更大以及成本更低之时，就是走入目前数码影像设备之日。