近日，《自然•通讯》（Nature Communications）报道了一种基于石墨烯纤维的双向中红外通讯系统，由浙江大学高超、许震团队和浙大科创中心微纳电子学院徐杨团队合作完成，论文第一作者是浙江大学高分子科学与工程学系的方波博士和微纳电子学院的Srikrishna Chanakya Bodepudi博士。该工作探索了宏观石墨烯纤维在中红外区域的发光和探测性能，并基于此构建了首套纤维基双向中红外通讯系统。该研究展示了石墨烯宏观材料在中红外光电子器件通讯领域的应用潜力。
中红外光及石墨烯简介
中红外光（Mid-infrared, MIR）通常指代波长为2-25微米的光波，它与生物体活动的关系密切，这是因为中红外光的区间刚好分布在生物体热辐射波长范围之内（在日常报道和描述中称为远红外光）。先进的中红外通讯系统在保密通讯、医疗保健、环境监测、气象科学及太空探索等领域有着重要的应用价值。光学通讯系统通常由两个基本的功能性结构单元（即发射器和接收器）辅以其它信号处理装置组成。在传统的通讯系统中，发射和接收的功能通常由不同的器件分别实现。倘若能找到一种兼具发射和接收功能的材料来实现双向通讯，就可使通讯系统大大简化并提高效率。前人借助于碳纳米管和钙钛矿等材料，双向通讯的构想已经初步在可见光及近红外光区域中实现。然而受限于材料的性能及严苛的工作环境，双向中红外通讯系统目前尚未能实现。
石墨烯具有原子级别的厚度和极高的电子迁移率，它可以通过载流子耦合或者灰体辐射的方式发射中红外光，也可以通过结构设计在很宽的波谱范围内呈现出光电响应能力。然而常规的寡层石墨烯对光子的吸收能力欠佳，难以做成中红外器件。该工作将石墨烯组装成弱耦合的宏观材料，解决了石墨烯低吸收率和低发射率的问题，实现了高性能双向中红外通讯系统。
图1. 常见光谱的分布。
柔性石墨烯纤维
该研究以氧化石墨烯薄膜为原料，通过加捻技术及后处理制备了连续的柔性石墨烯纤维。不同于以往报道的单轴取向的石墨烯纤维，这种纤维在结构及性能上有两大改变：表面的螺旋型构型使纤维呈现出伸长率超过15%的拉伸形为，并在多次的循环拉伸测试中保持稳定的力学和电学性能；即使在高温碳化处理后，也有相当比例的弱耦合区域存在。
图2. 柔性石墨烯纤维的结构及基本性能。
石墨烯纤维的中红外探测性能
将弱耦合的石墨烯纤维制备成双电极的光电导结构，可以探测波长范围在2-10微米之间的中红外光。将中红外光源从电极的一段向另一方向移动，可以发现所检测到光电流信号会发生方向和强度的逐步改变，证明石墨烯纤维的中红外探测机理是光热电效应（photo-thermoelectric effect）。由多层石墨烯弱耦合而成的纤维吸收中红外光子，局部温度发生瞬时的上升。此时，在光照区域和石墨烯纤维-金属结之间会产生一个逐渐削弱的电子温度梯度。光子激发产生的热电子在梯度场的作用下逐渐扩散到金属电极一段，从而产生光电流信号。在此过程中，弱耦合的多层石墨烯结构有效降低了热电子的层间散射，从而促进了热电子在毫米级别的石墨烯宏观结构中快速穿越，在石墨烯纤维中实现了中红外区域的响应。为了验证这一机理，作者对比了同样尺寸的高取向热解石墨（Highly oriented pyrolytic graphite, HOPG），它是一种强耦合宏观石墨体，在同样的实验条件下并没有观测到明显的光电流信号。
相对于寡层石墨烯材料，石墨烯纤维的电阻要低三个数量级，从而在较低电场作用下会产生较大的暗电流。然而这一问题并不能限制石墨烯纤维突出的探测能力，因为石墨烯纤维构筑的光电导结构产生的光电流可以达到0.7A，远高于寡层石墨烯。该研究发现石墨烯纤维对波长为4微米的中红外光的探测频率可以达到0.25兆赫兹，并且具有约0.67 A/W 的响应度。
图3. 石墨烯纤维的中红外探测性能表征。（a）将石墨烯纤维悬空固定在金属电极之间，输入暗电流探测对中红外光的响应；（b）将中红外光加载到石墨烯纤维的不同区域，可以收集到方向和大小都不同的光电流；（c）与不同中红外探测器件的响应度对比。
石墨烯纤维的中红外发射性能
