高光谱成像使用全光谱来详细了解自然及其行为。这些见解为多种应用开辟了新领域，包括自动驾驶、环境监测、医疗保健、太空探索甚至农业和食品加工。

从红外到太赫兹范围的成像提出了技术挑战，因为它需要在整个光谱范围内足够高效和灵敏的设备。

到目前为止，唯一部分满足预期的是基于碲化汞镉元素的光电导体阵列。尽管这是目前最合适的技术，但它们在检测光方面的性能效率不是很宽带，因为它们往往对某些波长是有效的吸收器，但对其他波长来说表现较差，而且它们根本不具备检测最长波长的光的能力在太赫兹领域，它与技术的相关性越来越大。

正如该研究的通讯作者FrankKoppens所提到的，“在非常规超导性的发现的推动下，扭曲石墨烯等二维材料已经彻底改变了量子材料领域。但最近，我们也发现它是一种由于其独特且高度可调的特性，该平台适用于广泛的应用。”

因此，近年来，双层石墨烯(BLG)已被证明在外部电场偏置时是一种令人印象深刻的光电探测器，尽管由于其二维性质，光吸收相当有限。有趣的是，BLG符合现有的硅技术，这是引入市场的必备条件。

然而，施加电场的需要给三维放大制造带来了巨大的困难，这对于克服BLG的低吸收问题是必要的。

一个新设备

另一方面，扭曲的“双”双层石墨烯器件(TDBG)已成为一种可以避免这些限制的独特材料。TDBG由两个大角度(15度)旋转或扭曲的双层石墨烯堆叠制成，最近显示它们可以产生自己的固有电场，而无需额外的电极，而BLG的制造则变得复杂。

这为可扩展系统中的宽带检测开辟了前景，然而，到目前为止，TDBG的光检测能力尚未经过测试。

在《自然光子学》上发表的一项研究中中，研究人员报告了一种新型TDBG超宽带光电探测器的开发，该探测器能够非常有效地检测从远太赫兹(100μm波长，相当于3THz)光谱范围内的所有光。近红外(2μm波长或150THz)的方式，并且在所有范围内具有良好的连续效率，没有任何间隙。

ICFO研究人员HiteshAgarwal和KrystianNowakowski由ICFO博士后研究员RoshanKrishnaKumar博士和ICREA教授FrankKoppens领导。他们与ICREA教授AdrianBachtold的ICFO教授团队合作。来自苏黎世联邦理工学院的贾科莫·斯卡拉里(GiacomoScalari)以及曼彻斯特大学、日本国家研究院(NIMS)和法国国家科学研究中心(CNRS)的研究人员。

超宽带光电探测器已表现出良好的内量子效率、通过层间屏蔽增强光电导率以及TDBG的可扩展性，因为不需要栅极来施加电场以获得电子带隙。

在他们的实验中，研究人员对TDBG的光响应进行了彻底且全面的研究。他们制造了多个TDBG器件并研究了它们的光电导性，即它们的电阻在光照下如何变化。

正如第一合著者KrystianNowakowski评论的那样，“这个实验的想法是在阅读了一项研究后产生的，其中研究人员在扭曲双层石墨烯(TDBG)中发现了一个小的电子带隙，而无需施加外部电场，这通常是在普通的一层双层石墨烯(BLG)中打开电子带隙是必要的。”

“带隙的存在使双层石墨烯成为良好的光探测器，但由于工业应用扩大制造规模的复杂性，需要施加外部电场是应用的障碍。”在检查了文献之后，他们发现没有人用“双”BLG(即TDBG)对此进行过测试。

于是，团队全力以赴准备实验。第一合著者HiteshAgarwal回忆道：“制作TDBG样品并不是一项简单的任务。我们从剥离石墨烯薄片开始，继续这个过程，直到找到足够大的双层石墨烯薄片。然后我们将薄片切成两半使用显微操纵器，拿起其中一半，将其旋转15度，然后堆叠到另一半上以创建TDBG堆叠。”

然后将这些设备冷却至4开尔文温度，以进行电阻的精确测量。在中红外光照射下，他们发现电阻显着下降，这提示了利用这些设备作为光电探测器的可能性。

制成霍尔棒形状的TDBG样品的光学图像，用于精确测量电阻率和光电导率。图片来源：ICFO

研究中的创造力

经过几个月的紧张实验，该团队不得不寻找物流和实验替代方案，以克服2020年突然关闭所带来的限制，继续研究，其中包括远程控制设备以在大流行期间继续测量。

该团队花费了大量时间来设置实验，尽可能多地进行测量，以便收集和理解所获得的数据类型及其实际含义。“我们面临的重大挑战之一是真正了解大规模响应的起源，并用商业技术对其进行可靠的基准测试”RoshanKrishnaKumar回忆道。

经过几个月的数据分析，确定必须测量的内容和原因，学习如何区分各种假设，并提出有助于获得结果的新想法，他们最终能够量化内部量子效率——内部量子效率的指标。转换为测量到的电流变化的吸收光子的分数，发现大部分光谱范围的效率等于或高于40%，这是一个很好的值，与超宽光谱结合时非常有前途TDBG的范围和可扩展性。

经过初步测量，研究人员在表征了TDBG的固有带隙(该带隙设置了探测器的截止频率)后，意识到光电探测器可以具有延伸至2THz的长波长功能。

受到这一诱人前景的激励，HiteshAgarwal飞往瑞士，在GiacomoScalari的实验室进行测量，GiacomoScalari是太赫兹技术专家，也是ICFO在PhotoTBG项目下的强有力合作者。他们使用定制的宽带测量装置，展示了研究中报告的超宽波长范围。

然后，研究人员“专注于了解测量信号背后的物理机制。经过与FrankKoppens教授的长时间集思广益，我们发现响应主要归因于光电导效应，其中光子通过直接产生更多电子空穴对来影响电阻而不是辐射热效应，即光子加热样品并通过温度变化间接影响电阻。”

这项研究的结果表明，所描述的方法和结果可以作为其他科学家使用光研究这些非常有趣的扭曲材料的指南和基准。

通过层间屏蔽增强电导率的解释、区分辐射热响应和光电导响应的方法以及提出的3维堆叠思想很可能用作其他二维材料进一步研究的基础。