石墨烯以其卓越的强度和导电性而备受推崇，这些特性促使研究人员争先恐后地将其应用于从网球拍到柔性电子产品的各种应用中。
现在，这种单原子厚度的碳晶格又增添了一项新功能。三个研究小组各自独立地证明，石墨烯可以高效地将红外光转换为电信号，作为称为光电探测器设备的一部分。作为光学数据的快速而准确的转换器，石墨烯光电探测器可以加快计算机速度并显著降低其功耗。这些设备各有略微不同的架构，已在《自然光子学》杂志上报道。
这种性能已经可以与现有的光电探测器相媲美。“我们看到石墨烯正在达到可以与当今技术竞争的水平，”麻省理工学院（位于剑桥）的物理学家德克·英格伦德说，他开发了其中一种石墨烯光电探测器。“这是一个重要的新步骤。”
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光纤已经使用光来远距离传输数据。然而，在计算机内部，电子仍然必须缓慢地穿过铜线轨道，以便在芯片内部以及芯片之间传输数据位。传统的电子电路不仅比光纤慢，而且还会因克服铜的电阻而浪费大量能量。
为了将芯片与光纤集成，电气工程师需要微小的光传感器，可以将多种波长的光转换回电脉冲。但是，传统的基于半导体锗的光电探测器只能转换有限范围的波长。
缩小差距
这就是石墨烯的优势所在。锗只能探测到能量足以将电子推过称为带隙的能垒的光子，从而使电荷能够在半导体中自由移动。但是，“石墨烯可以探测到任何波长，因为它没有带隙”，维也纳理工大学的物理学家托马斯·穆勒说，他也创造了一种石墨烯光电探测器。此外，石墨烯比锗更便宜，也更容易集成到硅芯片中。
但是，2009年制造的第一批石墨烯光电探测器的效率极低，因为这种材料让大部分光线穿透过去。这三个研究小组通过将光线沿着与石墨烯片平行的硅波导（见顶部图像）引导，并增加光线相互作用而不降低速度，从而克服了这个问题。
最新的设备产生的电流比早期探测器在相同光量下产生的电流高50-100倍。尽管这仍然比锗光电探测器低十倍，“但差距正在非常非常迅速地缩小”，英格伦德说。
电子也可以高速穿过石墨烯，这使得该材料非常适合处理大量数据。“在这里，这些设备可能比现有探测器更好，”英格伦德说。他的团队的光电探测器可以处理每秒12千兆位的数据——“对于高速光电设备来说，这是一个相当标准的数字”——并且很可能超过这个数字。
第三个研究小组，来自香港中文大学（位于沙田），创建了一种石墨烯光电探测器，可以探测到光谱中红外中波段的更长波长的光。此外，它可以室温下工作，而传统的探测这些波长的探测器需要用液氮冷却。这可能使其在测量分子对红外光的反应以识别环境中或医疗样品中的特定化学物质的应用中特别有用。
英格伦德说，这些设备商业化的主要障碍是批量制造高质量石墨烯的难度。所有三个小组都通过手工方式剥离较大样品上的碳片来制造石墨烯。但加州大学伯克利分校的电气工程师刘明说，研究人员正在研究有前景的替代生产技术，例如化学气相沉积，这可能使规模化生产更容易，他与人合著了一篇新闻与观点文章，以配合《自然光子学》杂志上的论文。
本文经《自然》杂志许可转载。本文于2013年9月15日首次发表。