浙江大學ACS Nano：基于具有等離激元效應的摻雜硅量子點和石墨烯雜化結構的超寬光譜高靈敏光電探測器

【引言】

當前，物聯網技術和軍事科技的快速發展正在有力推動高靈敏度、寬光譜尤其是能拓展至中紅外波段的光電探測器的研究。基于石墨烯和量子點的二維/零維雜化結構的光電探測器在這方面被寄予厚望。然而目前基于石墨烯和量子點（如PbS和PbSe量子點）的雜化結構的光電探測器只能在紫外到近紅外波段工作，無法實現對中紅外光的有效探測。中紅外光的探測仍然依賴于傳統的窄禁帶半導體材料如HgTe等。然而這類材料面臨著穩定性、毒性和資源稀缺的問題，在大規模的應用方面面臨挑戰。

【成果介紹】

近日，浙江大學硅材料國家重點實驗室和材料科學與工程學院由楊德仁教授領銜的硅材料研究團隊的皮孝東教授研究組與浙江大學信息與電子工程學院的徐楊教授研究組以及中國科學院上海技術物理研究所的胡偉達研究員研究組合作在ACS Nano期刊上發表了題為“Plasmonic Silicon Quantum Dots Enabled High-Sensitivity Ultrabroadband Photodetection of Graphene-Based Hybrid Phototransistors”的論文，倪朕伊博士和馬玲玲為共同第一作者。該論文報道了一種基于摻雜硅量子點和石墨烯雜化結構的晶體管型光電探測器，利用摻雜硅量子點在中紅外光波段的局域表面等離激元共振效應（LSPR）和紫外到近紅外光波段的電子躍遷光學吸收特性，實現了從紫外光（375nm）到中紅外光（4μm）的超寬光譜探測。器件在紫外到近紅外光波段的響應度可達10⁹ A/W，比探測率可達10¹³ Jones；在中紅外光波段響應度可達45 A/W，比探測率可達10⁵ Jones，其性能在具有同類型結構的器件中處于國際先進水平。

【圖文導讀】

圖1. 硅量子點和石墨烯雜化結構的光電探測器的結構和工作原理示意圖

(a)硅量子點和石墨烯雜結構的晶體管型光電探測器示意圖。

(b)器件的工作原理示意圖。在中紅外光（MIR）波段，摻雜硅量子點的LSPR效應能夠在量子點和石墨烯之前產生增強的局域電場，該局域電場能夠顯著增加石墨烯在中紅外光波段的光學吸收，形成光電響應；在紫外到近紅外光（UV-NIR）波段，硅量子點帶邊或帶尾態上的電子吸收光子產生躍遷，形成電子-空穴對，其中電子被硅量子點的缺陷態所俘獲，空穴在內建電場的作用下轉移到石墨烯中，產生增大的光電流。

圖2. 硅量子點和石墨烯之間的局域電場增強及光致柵調控（photogating）效應

(a)通過FDTD模擬的硅量子點和石墨烯之間的電場強度隨入射光波長的變化。在入射光為3μm時硅量子點和石墨烯之間的局域電場達到最大，和硅量子點的LSPR峰位相一致。

(b)硅量子點和石墨烯雜化結構的晶體管型光探測器在中紅外光波段（3 μm）和可見光波段（532 nm）的轉移特性曲線。在中紅外光波段，石墨烯的費米能級不隨光照發生變化，表明硅量子點和石墨烯之間沒有發生電荷轉移；在紫外到可見光波段，光照以后石墨烯的費米能級向上移動，表明空穴從硅量子點注入到石墨烯中。

(c)硅量子點和石墨烯接觸時以及在紫外到近紅外光（UV-NIR）照射時的能級和電子或空穴轉移示意圖。

圖3. 硅量子點和石墨烯雜化結構的光探測器性能和已發表工作的比較

(a) 硅量子點和石墨烯雜化結構的光探測器的響應度隨波長的變化。紅色星號為本工作的結果。

(b) 硅量子點和石墨烯雜化結構的光探測器的比探測率隨波長的變化。紅色星號為本工作的結果。

【相關工作】

前期的研究表明，利用未摻雜的硅量子點和石墨烯形成雜化結構并將其與體硅形成肖特基結，就能制備出的高速的光電探測器（Adv. Mater. 28, 4912-4919 (2016). DOI: 10.1002/adma.201506140/full）。進一步的研究發現，把摻雜硅量子點置于石墨烯和體硅之間可以形成具有級聯結構的肖特基光電探測器，其高性能的光響應在波長長至約2 μm的近紅外波段也能觀察到，器件的最大響應度可達0.6 A/W，響應時間為10^-6 s，比探測率可達10¹¹ Jones，在同類型器件中達到國際先進水平。該研究成果“Graphen/silicon-quantum-dot/silicon Schottky-PN cascade heterojuction for short-wavelength infrared photodetection”最近被電氣和電子工程師協會（IEEE）的知名國際會議International Electron Devices Meeting （IEDM）2017所收錄，杜思超博士、倪朕伊博士和劉雪梅為文章的共同第一作者。

【小結】

該項目制備了一種基于摻雜硅量子點和石墨烯雜化結構的晶體管型光電探測器，利用摻雜引入的硅量子點光學吸收特性和石墨烯的高遷移率特性實現了從紫外光（375nm）到中紅外光（4μm）的超寬光譜探測。這一成果展示了硅量子點在光電器件中的應用有望通過與二維材料如石墨烯形成雜化結構而取得突破，也為其他具有等離激元效應的量子點在光電器件中的應用提供了借鑒。

文獻連接：Plasmonic Silicon Quantum Dots Enabled High-Sensitivity Ultrabroadband Photodetection of Graphene-Based Hybrid Phototransistors (ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b03569)

本文由浙江大學倪朕伊博士投稿，材料牛整理編輯。

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