Nano?Letters :?自卷曲三維石墨烯場效應管用作高性能光電傳感器

【引言】

光電傳感器是光通信、成像、傳感等許多領域的核心元件。石墨烯具有獨特的零帶隙結構、超快的載流子遷移率等優點，是制造高性能光電傳感器的理想材料。傳統的石墨烯光電傳感器多采用平面二維（2D）石墨烯場效應管（GFET）結構，具有超寬的帶寬和超快的響應速度。但是，由于單層石墨烯對光的吸收率很低（~2.3%），導致傳統2D GFET光電傳感器的響應度很低（~6.3 mA/W）。雖然將石墨烯與光敏物質相結合可以大幅度提高光電傳感器的響應度，但是帶寬和響應速度會嚴重受損。

【成果簡介】

近日，北京交通大學鄧濤（第一作者和通訊作者）以及清華大學劉澤文（共同通訊作者）等人提出了一種利用氮化硅應力層驅動2D GFET自卷曲為微管式3D GFET的方法，首次制造出了卷曲圈數（1-5）和半徑（30 μm-65 μm）精確可控的3D GFET器件陣列。這種3D GFET可用作光電傳感器，工作波長范圍從紫外光（325 nm）區域一直延伸至太赫茲（119 μm）區域，為已經報道的基于石墨烯材料的光電傳感器帶寬之最。同時，這種3D GFET兼具超高的響應度和超快的響應速度，在紫外光至可見光區域的響應度可達1 A/W以上，在太赫茲區域的響應度高達0.23 A/W，響應時間快至265 ns（納秒）。該研究所提出的制造方法不僅為3D石墨烯光電器件與系統的實現鋪平了道路，還可以推廣至二硫化鉬、黑磷等其他類石墨烯2D晶體材料。相關成果以題為”Three-Dimensional Graphene Field-Effect Transistors as High Performance Photodetectors”的文章在線發表在Nano?Letters上。

【圖文導讀】

圖1 自卷曲三維（3D）石墨烯場效應管（GFET）。

(a) 自卷曲前的平面二維（2D）GFET；(b) 自卷曲后的3D GFET；(c, d) 3D GFET的正視圖和側視圖；(e) 自卷曲圈數分別為1圈（左上）、2圈（右上）、3圈（左下）和5圈（右下）的3D GFET側視圖；(f) 3D GFET陣列。

圖2 3D GFET的電學特性。

(a)?自卷曲前、后2D GFET和3D GFET的輸出特性；(b) 2D GFET的輸出特性；(c) 3D GFET的輸出特性。

圖3 3D GFET在紫外光和可見光區域的光電特性。

(a)?實驗裝置示意圖；(b)?零柵壓和零源漏電壓（V_g?=?V_ds?= 0 V）條件下2D GFET和3D GFET的光電流隨入射光（波長325 nm）功率變化；(c)?3D GFET的響應度隨柵壓變化；(d)?3D GFET的響應度隨源漏電壓變化；(e)?電場強度為E₀?= 1 V/m 的514 nm入射光下3D GFET附近的電場強度（E_3D）分布模擬；(f) 紫外光和可見光區域3D GFET的響應度和電場強度增強系數（E_3D/?E₀）隨入射光波長變化。所有實驗在室溫下進行。

圖4 3D GFET在中紅外和太赫茲（THz）區域的光電特性。

(a)?實驗裝置示意圖；(b)?2.52 THz（波長119 μm）入射光下3D GFET的瞬態光電流響應；(c)?具有不同自卷曲圈數的3D GFET在2.52 THz光下的光電流隨入射光功率變化；(d, e)?自卷曲圈數為5圈的3D GFET在波長分別為10.6?μm和96 μm（3.11 THz）入射光下的光電流隨光功率變化；(f)?2D GFET和3D GFET在中紅外和THz區域的響應度對比。所有實驗在零柵壓、零源漏電壓（V_g?= V_ds?= 0 V）和室溫條件下進行。

圖5 3D GFET的高速光電響應。

(a) 3D GFET在飛秒脈沖激光下時域響應，光電流經低噪聲電流放大器（帶寬1 MHz ）后由帶寬為1 GHz的示波器記錄；(b) 3D GFET的頻率響應，3 dB帶寬為1.38 MHz。

【小結】

本文利用自卷曲方法制造了一種微管式三維石墨烯場效應管，可用作光電傳感器，實現對紫外光、可見光、中紅外光、太赫茲波的超高靈敏度、超快探測。

文章鏈接：https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acs.nanolett.8b04099

本文由北京交通大學鄧濤供稿，材料人編輯部編輯。

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