石墨烯以其卓越的強度和導電性而備受推崇，這些特性促使研究人員爭先恐後地將其應用於從網球拍到柔性電子產品的各種應用中。
現在，這種單原子厚度的碳晶格又增添了一項新功能。三個研究小組各自獨立地證明，石墨烯可以高效地將紅外光轉換為電訊號，作為稱為光電探測器裝置的一部分。作為光學資料的快速而準確的轉換器，石墨烯光電探測器可以加快計算機速度並顯著降低其功耗。這些裝置各有略微不同的架構，已在《自然光子學》雜誌上報道。
這種效能已經可以與現有的光電探測器相媲美。“我們看到石墨烯正在達到可以與當今技術競爭的水平，”麻省理工學院（位於劍橋）的物理學家德克·英格倫德說，他開發了其中一種石墨烯光電探測器。“這是一個重要的新步驟。”
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光纖已經使用光來遠距離傳輸資料。然而，在計算機內部，電子仍然必須緩慢地穿過銅線軌道，以便在晶片內部以及晶片之間傳輸資料位。傳統的電子電路不僅比光纖慢，而且還會因克服銅的電阻而浪費大量能量。
為了將晶片與光纖整合，電氣工程師需要微小的光感測器，可以將多種波長的光轉換回電脈衝。但是，傳統的基於半導體鍺的光電探測器只能轉換有限範圍的波長。
縮小差距
這就是石墨烯的優勢所在。鍺只能探測到能量足以將電子推過稱為帶隙的能壘的光子，從而使電荷能夠在半導體中自由移動。但是，“石墨烯可以探測到任何波長，因為它沒有帶隙”，維也納理工大學的物理學家托馬斯·穆勒說，他也創造了一種石墨烯光電探測器。此外，石墨烯比鍺更便宜，也更容易整合到矽晶片中。
但是，2009年製造的第一批石墨烯光電探測器的效率極低，因為這種材料讓大部分光線穿透過去。這三個研究小組透過將光線沿著與石墨烯片平行的矽波導（見頂部影像）引導，並增加光線相互作用而不降低速度，從而克服了這個問題。
最新的裝置產生的電流比早期探測器在相同光量下產生的電流高50-100倍。儘管這仍然比鍺光電探測器低十倍，“但差距正在非常非常迅速地縮小”，英格倫德說。
電子也可以高速穿過石墨烯，這使得該材料非常適合處理大量資料。“在這裡，這些裝置可能比現有探測器更好，”英格倫德說。他的團隊的光電探測器可以處理每秒12千兆位的資料——“對於高速光電裝置來說，這是一個相當標準的數字”——並且很可能超過這個數字。
第三個研究小組，來自香港中文大學（位於沙田），建立了一種石墨烯光電探測器，可以探測到光譜中紅外中波段的更長波長的光。此外，它可以室溫下工作，而傳統的探測這些波長的探測器需要用液氮冷卻。這可能使其在測量分子對紅外光的反應以識別環境中或醫療樣品中的特定化學物質的應用中特別有用。
英格倫德說，這些裝置商業化的主要障礙是批次製造高質量石墨烯的難度。所有三個小組都透過手工方式剝離較大樣品上的碳片來製造石墨烯。但加州大學伯克利分校的電氣工程師劉明說，研究人員正在研究有前景的替代生產技術，例如化學氣相沉積，這可能使規模化生產更容易，他與人合著了一篇新聞與觀點文章，以配合《自然光子學》雜誌上的論文。
本文經《自然》雜誌許可轉載。本文於2013年9月15日首次發表。