日本京都工藝纖維大學材料化學系的野野口斐之副教授、山雄健史教授、稻田雄飛助教，中央大學理工學部的河野行雄教授、李恆助教等人，與國立研究開發法人產業技術綜合研究所（AIST）感測技術研究部門合作發表研究成果稱，成功開發出了一種採用具備不同電學特性的p型（導電載流子主要為電洞）與n型（導電載流子主要為電子）的半導體奈米碳管（CNT）高靈敏度紅外感測器。由於可利用能穿透衣物和塑膠的紅外光實現內部結構的非破壞性觀察，該感測器有望廣泛應用於安全檢查、品質管理、醫療診斷、新一代通信等多個領域。相關研究成果已發表在《Small Structures》的2月2日刊上。
圖1. 紅外線檢測器的工作原理（供圖：京都工藝纖維大學）
紅外光具有穿透許多有機材料的特性，但由於其能量較低，要實現高靈敏度檢測通常需要冷卻，因此，開發低成本且易於使用的感測器一直是亟待解決的課題。
此次，研究團隊高純度地分離出半導體單層奈米碳管，並進一步將其組合成由化學方法控制為電性質不同的p型和n型薄膜。
此次開發的感測器，其工作原理為紅外光通過奈米碳管中電子的集體振動（等離激元共振，即具有強烈吸收特定光並轉化為熱能的性質）被高效吸收並轉化為熱能，導致局部溫度升高；然後利用將這種溫差轉換為電信號的「熱電效應」進行工作。與既往含金屬鑄模奈米碳管的材料相比，靈敏度提升了約11倍。
該成果被認為得益於半導體奈米碳管優異的焦熱電性能（將熱能轉化為電能的能力），以及其通過等離激元共振強烈吸收紅外光並高效升溫的特性。
此外，研究還發現，通過化學摻雜處理，可減少熱量散失，從而產生更大的溫度差。
研究團隊表示，同時調控等離激元共振、焦熱電性能、摻雜這三種特性，是實現感測器高靈敏度的關鍵。
今後，研究團隊將面向未來可穿戴器件等實際社會應用，持續推進相關的應用研究。
未來將推進產學合作與應用拓展
野野口副教授表示：「本研究通過採用半導體奈米碳管，實現了無需冷卻的高靈敏度紅外線檢測。由於能夠獲得高電壓輸出，未來有望推動偵檢器件的小型化與便攜化。今後，我們將在推進產學合作的同時，以大學為主體，持續致力於實現更高靈敏度與更廣泛的應用拓展。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Small Structures
論文：Synergistic Plasmonic-Thermoelectric Enhancement in Semiconducting Carbon Nanotubes for Infrared Light Detection
DOI：10.1002/sstr.202500834
