不同响应机制下的石墨烯基光电探测器研究进展

MEMS 2022-05-25 00:00

光电探测器因可将光信号转换为电信号而被广泛地应用于视频成像、光通信、生物医学成像和运动检测等方面。但由于所采用的传统光电探测器材料对其性能带来的局限性和日益增长的新需求之间的矛盾,使得寻找新的材料迫在眉睫。近年来新兴的二维材料为制备更高性能的探测器提供了全新的材料研究平台,其中石墨烯以其独特的电学、光学与热学特性成为下一代高性能光子学最有希望的候选材料之一。

石墨烯基光电探测器的性能具有很大的提升空间,但同时也面临着一系列技术问题。为了优化光电探测器的“固有”指标,研究者通常需要从器件结构改进方面入手,但同时还必须考虑石墨烯基光电探测器的制造成本问题。有效的石墨烯基光电探测器,必须要满足低成本、环境友好、可快速大量制备等要求,其次器件还必须能够小型化且具有和其他半导体集成的能力。当前石墨烯基光电探测器主要有五种结构:传统单栅控结构、双栅控结构、石墨烯悬浮结构、量子点混合结构和基于等离子体共振的阵列集成结构。

据麦姆斯咨询报道,天津大学天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心马雷教授课题组在《发光学报》期刊上发表了以“不同响应机制下的石墨烯基光电探测器研究进展”为主题的综述文章。马雷教授主要从事低温凝聚态及电子器件物理的研究工作。

这项研究从光伏、光辐射热、光热电、等离子波辅助、光栅控效应和光电导效应六种基本的物理机制入手,系统地综述了不同光响应机制下石墨烯基光电探测器研究现状,并在此基础上对当下不同石墨烯基光电器件发展前景进行了细致的讨论和展望。

石墨烯基光电探测器的响应机制主要有光伏效应、光辐射热效应、光热电效应、等离子波辅助、光栅控效应和光电导效应等。光伏效应是指一种材料在光照下产生电流或者电压的过程。石墨烯具有静电掺杂后的可调性、大电荷载流子浓度、低耗散率、高迁移率以及可将电磁能量限制在前所未有的小体积内等优点。因此,相较于其他二维材料,石墨烯在光伏应用方面应具有较大的优势。

具有不对称金属电极的金属⁃石墨烯⁃金属(MGM)光电探测器


由入射光子产生的热量导致沟道电导发生变化的现象称为光辐射热效应。基于光辐射热效应下的石墨烯基光电探测器的优势在于响应波段宽、高灵敏度及低等效噪声功率,这得益于其小的热容和弱电子⁃声子耦合作用。当前对于该机制的机理有待进一步探究。

光热电效应可拆分为光热转换和热电效应。基于光热电效应下的石墨烯基光电探测器要求不同区域具有不同的塞贝克系数来产生所需要的电势差。研究人员从更为微观的热载流子冷却的角度来考虑,提出了通过增加石墨烯沟道的长度来实现对热载流子晶格冷却梯度的构建以增大热载流子和晶格之间的温差的方法后,实现了响应度的大幅提高。

基于光热电效应下的顶栅石墨烯光电探测器器件简图


等离子体技术的应用在这里是指应用光子和电子耦合时,电磁波与等离子体材料、介电介质界面之间发生相互作用,从而产生表面等离子体激元(SPP)并引发的表面等离子体共振(SPR)。等离子体技术的应用可以超过衍射极限,进而有效提高光电探测器性能。在器件结构多样性方面,石墨烯则可以和纳米带、金属周期性结构、金属⁃绝缘⁃金属(MIM)单元等多种结构耦合。另外,在等离子波辅助机制主导下的石墨烯基光电探测器可探测到太赫兹波段的入射光,这是其独特的优势。

光栅控效应是一种通过光致栅压来调节器件沟道电导的方法。基于光栅控效应的石墨烯型器件具有从可见光波段至中红外波段的较大响应范围,并且由于石墨烯能与量子点等其他二维材料进行有效的耦合,所以可以实现响应度大幅度提升等特点和优势,这都是传统光栅控效应材料所不具备的。利用界面栅(门)控效应是这几年研究的热点,它是指利用界面效应对光响应的调控,一般这样的器件中光响应区域限于层与层交界处,虽然器件利用率下降,但是光响应度却可以大大提高。

基于界面栅/门效应下的石墨烯基光电探测器



光电导效应是通过外加偏压来使电子空穴对分离。由于光电导效应多发生在金属接触区域外,因此在缺少异质结内置电场的条件下只能通过石墨烯改性来实现局域内置电场的调控,从而达到对光生电子⁃空穴对分离的目的。其他二维材料也可以被用来制备基于光电导效应的光电探测器,但由于这二者的带隙约为0.8eV,相比于零带隙的石墨烯而言光生电子⁃空穴对的激发更加困难,所以响应度很低。

在过去近二十年里,基于石墨烯光电探测器的结构设计、制备工艺及性能进展迅速,这些发展为未来光电器件广泛应用于各个领域提供了更多的可能性和新的发展路线。但石墨烯基光电探测器的制备和应用仍存在一定的局限性和挑战。

虽然还面临许多挑战,但众多研究已经证明基于上述六种机制的石墨烯光电探测器在电子、机械装备、电化学和生物等领域具有巨大的应用前景。例如,对于电子领域而言,基于上述六种机制开发的光电探测器的研究成果和思路还可以用于光发射器、气体传感器、光电池的开发,这主要得益于石墨烯光电探测器的高响应度和高外部量子效率。在电化学领域,高稳定性的石墨烯基光电探测器被用于纳米机电系统(NEMS)、DNA传感器、光电化学传感器和太阳能电池。在生物领域,石墨烯基光电探测器也被用于荧光传感器、细胞蛋白检测,尤其是在光电探测器领域对于长波段入射光的探测成果已被大量地应用在生物医药方面。因此,对其响应机制进行进一步理论探究对其他领域的发展具有非常重要的借鉴意义。

该项目获得国家自然科学基金(11774255)、国家重点研发计划(2020YFC2004602)和中国博士后科学基金(2019M6610232)资助项目的支持。该研究第一作者为天津大学天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心硕士研究生张翼,主要从事二维材料器件制备的研究工作。



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