北京交通大學Nanophotonics: TiO2納米顆粒修飾石墨烯紫外光電探測器

【引言】

紫外光電探測器在空間通信、軍事偵察、環境監測、生物醫學等許多領域具有廣泛而重要的應用。如何實現具有超高靈敏度、微型化、低成本、可大批量制備的高性能紫外光電探測器已經成為一個研究熱點。石墨烯優異的光學和電學性能使之成為制造光電探測器的理想材料，但是由于單層石墨烯對光的吸收率很低（~2.3%），石墨烯紫外光電探測器的響應度亟待提高。

【成果簡介】

近日，北京交通大學李莎莎（第一作者）、鄧濤（通訊作者）等人利用溶液合成的二氧化鈦（TiO₂）納米顆粒修飾埋柵式石墨烯場效應管（GFET），實現了一種微型（特征尺寸30 μm）紫外光電探測器。這種具有“日盲”特性的光電探測器在波長為325?nm的紫外光輻射下，響應度高達118.3 A/W，這比最近報道的基于石墨烯/垂直Ga₂O₃納米線陣列異質結型紫外光電探測器的響應度（0.185 A/W）高出了600多倍。值得注意的是，這種TiO₂修飾GFET型紫外光電探測器的響應度和響應速度還可以通過施加很小（≤1V）的柵壓和（或）源漏電壓來進行調節和優化。該研究為大批量、低成本地制造具有超高響應度的微型紫外光電探測器提供了一種簡單可行的方法。相關成果以題為“Solar-blind ultraviolet detection based on TiO₂?nanoparticles decorated graphene field-effecttransistors”的文章在線發表在Nanophotonics上。

【圖文導讀】

圖1 二氧化鈦（TiO₂）納米顆粒（NPs）修飾的埋柵式石墨烯場效應管（GFET）。

（a）和（b）TiO₂?NPs修飾前、后的埋柵式GFET;（c）TiO₂?NPs修飾GFET陣列;（d）石墨烯/ TiO₂?NPs導電溝道;（e）TiO₂?NPs集聚點的原子力顯微圖像（對應圖1d中的紅色框）;（f）TiO₂?NPs修飾前（紅線）、后（藍線）GFET的拉曼光譜。

圖2 TiO₂ NPs修飾前、后GFET的電學特性。

（a）TiO₂ NPs修飾前、后GFET的轉移特性對比;（b）TiO₂ NPs修飾GFET的轉移特性曲線;（c）和（d）分別為TiO₂ NPs修飾前、后GFET的輸出特性曲線。

圖3?TiO₂?NPs修飾GFET的光電特性。

（a）實驗裝置示意圖;（b）在零柵壓（V_gs）和0.1 V源漏電壓（V_ds）下，器件的瞬態光電響應;（c）單個調制周期的瞬態光電響應; 插圖：器件的工作原理;（d）在V_gs?= 0 V和V_ds?= 0.1 V條件下，器件光電流隨激光位置的變化而變化; 插圖：標有激光位置的器件SEM圖;?實驗中所用激光波長為325 nm，圖（b）和（c）所用激光功率均為3.47 mW，圖（d）所用激光功率為1.74 mW。

圖4 TiO₂?NPs修飾GFET的光電特性。

（a）器件光電響應隨源漏偏壓變化;（b）器件歸一化響應度（R_ph/R_ph,₀, R_ph,₀為源漏電壓等于0?V時器件的響應度）隨源漏偏壓變化; 圖（a）和（b）均在V_gs = 0 V和入射激光功率為1.74 mW的條件下獲得;（c）器件光電響應隨入射激光功率變化;（d）在V_ds?= 0.1 V和V_gs?= 0 V條件下，器件響應度隨入射激光功率變化。

圖5 TiO₂?NPs修飾GFET的柵壓可調光電特性。

（a）器件瞬時光電響應隨柵壓變化；（b）器件歸一化響應度隨柵壓變化；圖（a）和（b）均在V_ds?= 0.1 V和激光功率為0.347 mW的條件下獲得。

【小結】

本文利用二氧化鈦（TiO₂）納米顆粒修飾埋柵式石墨烯場效應管（GFET），實現了對紫外光超高靈敏度探測。

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本文由北京交通大學李莎莎供稿。

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