Nanoscale: TiO2納米顆粒修飾三維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。石墨烯優異的光學和電學性能使之成為制造紫外光電探測器的理想材料。但是單層石墨烯對光的吸收率很低（~2.3%），導致平面二維（2D）純石墨烯紫外光電探測器的響應度不高。如何提高石墨烯紫外光電探測器的響應度，同時保持較高的響應速度，是一個公認的難題。

【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）等人將溶液合成的二氧化鈦（TiO₂）納米顆粒（NP）與三維（3D）石墨烯場效應管（GFET）相結合，制備出了一種具有超高響應度且響應時間可調的新型紫外光電探測器。在零柵壓和零源漏偏壓條件下，器件的響應時間小于10?ms，響應度比無TiO₂?NP修飾的3D?GFET器件的響應度提高約30%；在零柵壓、0.8?V源漏偏壓條件下，器件的響應度可達475.5?A/W，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）大3個數量級。此外，這種TiO₂?NP修飾3D 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的源漏偏壓（＜1?V）和（或）柵壓（≤3?V）進行調節和優化。該研究表明，將3D?FET結構與半導體光敏物質相結合可以有效提高石墨烯光電探測器的綜合性能，這為基于二維材料的高性能光電探測器研發提供了新的思路。相關研究結果以題為“High sensitivity ultraviolet detection based on?three-dimensional graphene field effect transistors?decorated with TiO₂?NPs”的文章在線發表在Nanoscale上。

【圖文導讀】

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圖1?二氧化鈦（TiO₂）納米顆粒（NP）修飾自卷曲三維（3D）石墨烯場效應管（GFET）。（a）和（b）TiO₂?NP修飾前、后的3D GFET；（c）TiO₂?NP修飾3D GFET微管；（d）鍵合在PCB上的TiO₂?NP修飾3D GFET；（e）石墨烯/ TiO₂?NP導電溝道；（f）TiO₂?NP修飾前（藍線）、后（紅線）3D GFET的拉曼光譜。

圖2?TiO₂?NP修飾前、后3D GFET的電學和光電特性。（a）TiO₂ NP修飾前、后3D GFET的轉移特性對比；（b）和（c）TiO₂ NP修飾前、后3D GFET的輸出特性曲線；（d）TiO₂ NP修飾3D GFET在不同入射光功率下的轉移特性。_.

圖3?TiO₂?NP修飾前、后3D GFET的光電特性。（a）實驗裝置示意圖；（b）零柵壓和零源漏偏壓（V_gs?= V_ds?= 0 V）條件下，TiO₂?NP修飾前、后3D GFET的瞬態光電響應；（c）單個調制周期的瞬態光電響應。

圖4?TiO₂?NP修飾3D GFET基于光柵效應工作的光電特性。（a）在V_ds?= 0.1 V和V_gs?= 0 V條件下，器件的瞬態光電響應；（b）器件光電響應隨源漏偏壓變化；（c）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；（d）器件響應度隨源漏偏壓變化；實驗中所用激光波長為325 nm，圖（a）和（b）所用激光功率均為3.47 mW，圖（d）所用激光功率為0.35 μW。

圖5?TiO₂?NP修飾3D GFET和作為參照的TiO₂?NP修飾平面二維（2D）GFET光場仿真。（a）在波長為325 nm、電場強度為E₀?= 1 V/m的平面光輻射下，TiO₂?NP修飾3D GFET附近的電場強度（E_3D）分布；（b）相同條件下，TiO₂?NP修飾2D GFET附近的電場強度（E_2D）分布。

圖6?TiO₂?NP修飾3D GFET的柵壓可調光電特性。（a）器件歸一化響應度隨柵壓變化；（b）器件光電流上升時間隨柵壓變化；實驗中源漏電壓V_ds?= 0.1 V，激光功率為3.47 mW。

【小結】

本文利用溶液合成的二氧化鈦納米顆粒修飾自卷曲三維石墨烯場效應管，制造出了一種新型的紫外光探測器，利用紫外光敏物質和微管式光學諧振腔的雙重增強作用，實現了對紫外光的超高靈敏度、快速探測。

文章鏈接：https://doi.org/10.1039/C9NR04475B?

本文由北京交通大學鄧濤老師團隊供稿。

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