石墨烯技術：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體技術制造，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，而在結構上則包括微透鏡、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”的布線層傳達至硅光電二極管時，會造成光線在入射角和傳導方面均出現不小的損失。雖然背照式CMOS將布線層轉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、銅等半導體材料在光電信號轉換、電子傳輸性能、功耗以及發熱量等方面的表現均不甚理想，這也使目前的影像傳感器在感光性能、高感低噪、電池續航能力以及發熱量等方面表現不佳。為了改善這一系列的問題，需要從半導體材料方面下手，而石墨烯就是目前新半導體技術中最為炙手可熱的材料。

石墨烯并不是什么稀有的物質或化學元素，學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二維平面上的蜂窩結構體，厚度相當于頭發的百萬分之一。一直以來，厚度僅為一個原子的材料都是一種假設性的結構，直到2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，證實了一個原子厚度的材料可以單獨存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創性實驗”共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。

單層石墨烯的厚度非常薄，只有一個碳原子厚，約為0.34nm，但其強度卻與金剛石相當，極為堅硬。瑞典皇家科學院在發表2010年物理學獎時曾這樣比喻其強度：“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的重疊后的石墨烯薄膜，則可承載2噸重的汽車。除了具有優良的物理特性之外，石墨烯還具備優秀的導電特性：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。六邊形的碳原子結構僅會阻擋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字影像領域：紅外攝像機、微光攝像頭、安防監控、衛星成像以及民用照相機等。同時，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CMOS的1/10，不僅可降低影像傳感器的發熱量，還可大幅提升數碼拍照設備的電池續航性能。

2011年年初，作為PureView技術之后的技術儲備，諾基亞在美國專利商標局注冊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計，這與適馬的Foveon傳感器的R、G、B三層感光層結構頗為相似。無獨有偶，2013年5月新加坡南洋理工大學的研究團隊也展示了石墨烯影像傳感器。該傳感器采用新型納米結構的石墨烯材料，并在其中設計了“陷阱”結構，可使光電子停留更長時間，從而獲得更為強大的電信號，將電信號轉換為數字影像，感光性能比傳統影像傳感器強1 000倍，即使是在十分昏暗的光線環境中，依然能夠捕捉到明亮、清晰的影像。同時，此種石墨烯影像傳感器不僅功耗更低，還可以繼續使用CMOS（互補金屬氧化物半導體）的加工工藝，在大規模生產時，其成本還可比CMOS便宜約5倍。

雖然石墨烯影像傳感器技術具有感光性能優異、功耗更低、成本更低廉等特性，但目前依然處于研究發展階段。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、安防監控、對地觀測衛星以及軍用領域。待其技術更成熟、生產規模更大以及成本更低之時，就是走入目前數碼影像設備之日。